广东晶启公司与中科院上海光学精密机械研究所团队合作发表最新成果

 在传统光谱学研究中,电子跃迁测量依赖紫外-可见光源,分子振动探测则需要中红外光源,这一技术瓶颈长期制约着跨能级瞬态关联过程的研究。晶启公司与中国科学院上海光学精密机械研究所合作团队在《Laser & Photonics Reviews》期刊发表最新研究成果,成功开发出光谱范围覆盖200 nm至5000 nm的超宽带白光激光系统,实现了从电子跃迁到分子振动的同步光谱监测。

技术路径:级联非线性光学架构

 该系统采用级联非线性光学模块设计,将三阶非线性与二阶非线性效应有机结合。技术路线分为两个关键环节:

        三阶非线性光谱展宽阶段:能量为5.5 mJ、中心波长3.9 μm的飞秒中红外激光脉冲注入充氪空芯光纤。强激光场驱动气体介质产生自相位调制效应,使入射光谱展宽至2500-5000 nm范围,形成覆盖一个倍频程的中红外超连续谱。

        二阶非线性频率变换阶段:展宽后的中红外超连续谱经聚焦后进入啁啾周期性极化铌酸锂晶体。通过准相位匹配机制,该晶体将基频光高效转换为2次至12次高次谐波,将光谱拓展至可见光、紫外及深紫外波段。

        两级非线性过程的协同作用,最终实现4.5个倍频程的超宽带光谱输出。

图1 | “四高”白光激光的产生与应用

                         图2 | 实验采用协同作用的HCF-CPPLN模块，由强中红外飞秒脉冲激光OPCPA系统驱动，以产生“四高”白光激光

                                                                   图3 | 深紫外-中红外平坦全光谱白光激光的光谱分析

                                      图4 | 通过高峰值功率谱强度和极高峰值光子通量，验证所研发的“四高”白光激光的高亮度特性

                                图5 | 揭示通过HCF-CPPLN模块产生深紫外-中红外全光谱白光激光的物理机制和路径的数值计算

核心器件:啁啾周期性极化晶体

研究团队针对传统周期性极化晶体频率转换单一的局限性,设计了特殊的啁啾周期性极化铌酸锂晶体。通过线性改变极化周期,在倒格矢空间构建六个连续宽带准相位匹配能带,确保2次至12次谐波均能实现高效相位匹配。不同谐波的光谱重叠形成平滑连续的超宽带谱线,突破了此前4次谐波转换效率低的技术瓶颈。

性能指标:四项关键参数达到国际领先水平

       该光源在关键性能指标上取得显著突破:

• 光谱覆盖范围:200-5000 nm,在15 dB强度波动范围内横跨4.5个倍频程

• 脉冲能量:输出能量达1.05 mJ

• 脉冲宽度:2.5 ps

• 光谱平坦度:全谱段实现15 dB平坦度

        特别值得关注的是,该系统成功将光谱下限推进至200 nm以下深紫外区域。铌酸锂晶体本征吸收边位于320 nm附近,能够在其强吸收区域实现深紫外光输出,表明级联高次谐波产生机制具有极高的转换效率。

应用验证:实现多材料体系同步光谱表征

        研究团队利用该光源对叶绿素铜钠盐、碳点、乙醇和石英玻璃等典型样品进行了光谱测量。实验结果如图显示:

                                 图6 | 叶绿素铜钠盐（SCC）、碳点（CDs）、乙醇和石英玻璃吸收光谱的实验测量

        在紫外-可见波段,系统准确捕获了叶绿素铜钠盐分子的Soret带(405 nm)和Q带(630 nm)等电子跃迁特征峰;在近红外-中红外波段,清晰分辨出乙醇分子C-H键和O-H键的分子振动吸收峰(1192 nm、3016 nm、3410 nm),以及石英玻璃中Si-H键的晶格振动信号。单次测量仅需两个激光脉冲和50 ms积分时间,即可获得高信噪比的全谱段吸收光谱数据。该研究为超快光谱学、材料科学、物理化学等领域提供了新型实验工具,有望推动跨能级瞬态过程研究、多组分复杂体系快速分析等应用的发展。

论文信息

• 英文标题:Intense flat DUV-MIR White Laser Enables Simultaneous Spectroscopic Monitoring of  Electronic Transition and Molecular Vibration

• 中文标题:强平坦深紫外-中红外白光激光实现电子跃迁与分子振动的同步光谱监测

• 发表期刊:Laser & Photonics Reviews

• 文章第一作者：广东晶启公司洪丽红博士