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激光脉冲（蓝色）从左侧进入填充有氮气（红色分子）的空心光纤，并沿着传播方向经历向着更长波长的光谱加宽（描绘为橙色输出光束）（右侧）。这种非线性现象是由拉曼效应引起的，该拉曼效应与激光场下气体分子的旋转有关，如底部面板所示。图片来源：Riccardo Piccoli（INRS）
国家科学研究所（INRS）的研究人员发现了一种经济有效的方法，可以将激光器的光谱调谐到红外线，这是许多激光器应用中非常感兴趣的波段。他们与奥地利和俄罗斯的研究团队合作开发了这项创新，现在已成为专利申请的主题。他们的工作结果最近发表在光学协会（OSA）的旗舰杂志Optica中。
在此研究领域中，如果激光波长位于红外区域并可能在红外区域可调，则许多激光应用都具有决定性的优势。但是，当前的超快激光技术仍然很难做到这一点，科学家需要探索各种非线性过程来改变发射波长。特别是，到目前为止，光参量放大器（OPA）是到达此红外窗口的唯一公认的工具。尽管OPA系统提供了广泛的可调性，但它们很复杂，通常由多个阶段组成，而且价格昂贵。
卢卡·拉扎里（Luca Razzari）教授与罗伯特·莫兰多蒂（Roberto Morandotti）教授合作的研究团队已经证明，使用简单且便宜得多的系统：填充有氮的空心（毛细管）光纤也可以实现大波长可调谐性。另外，这种方法很容易传递比输入激光器短的光脉冲，并具有较高的空间质量。研究人员还受益于INRS在该领域的专业知识，因为用于拉伸和固定此类纤维的特殊系统是由初创的几个周期推向市场的。
非对称光谱展宽
通常，中空纤维填充有单原子气体（例如氩气），以对称地加宽激光器的光谱，然后将其重新压缩为更短的光脉冲。研究小组发现，通过使用诸如氮气之类的分子气体，光谱加宽仍然是可能的，但是出乎意料。
“频谱不是对称地扩散，而是朝着能量较低的红外波长转移，令人印象深刻。这种频移是与气体分子旋转相关的非线性响应的结果，因此，可以通过改变气体压力来轻松控制（即分子中的分子数量）”，Razzari小组的负责人Riccardo Piccoli博士解释说。
一旦光束向红外方向变宽，研究人员就对输出光谱进行滤波，以仅保留感兴趣的波段。通过这种方法，能量以比输入短三倍的脉冲传输到近红外光谱范围内（效率与OPA相当），而无需任何复杂的设备或额外的脉冲后压缩系统。
国际合作
为了完成研究，INRS科学家与奥地利和俄罗斯的同事一起参加了会议。拉扎里说：“我们在一次会议上发现了两个小组观察到的现象有多相似后，便汇集了我们的专业知识。”
由安德留斯·巴尔图斯卡教授和保罗·卡佩吉安尼博士领导的设在维也纳的研究人员团队拥有与国际研究战略相辅相成的战略。他们还使用了充氮的空心光纤，但是他们没有过滤光谱，而是使用能够调节变宽脉冲相位的反射镜及时压缩了频谱。Carpeggiani博士说：“在这种情况下，红外线的整体移动不是那么极端，但是最终脉冲要短得多而且强度更大，非常适合于阿秒和强场物理学。”
由Aleksei Zheltikov教授领导的莫斯科研究小组致力于开发理论模型来解释这些光学现象。通过将这三种方法结合起来，研究人员不仅能够充分理解复杂的内部动力学，而且不仅能够使用氮实现极高的红移，而且还能实现红外范围内的有效脉冲压缩。
国际团队认为，该方法可以很好地满足对激光和强场应用中长波长超快光源不断增长的需求，首先是基于新兴的laser激光技术的较便宜的工业级可调谐系统。
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