许多分子的吸收带位于中红外波段（MIR），因此位于这个波段的飞秒激光光源可用于光谱分析。获得该波段光源的技术之一是差频产生，可分为两种：脉冲间差频（用DFG表示）和脉冲内差频（intraDFG），两种方式的区别如表1所示。近年来的飞秒中红外光源工作多集中在如何提升平均功率，缺少对此类光源噪声的系统分析，本文系统研究了这两种光源的噪声特性[1]。
表1 脉冲间差频与脉冲内差频的对比
方案名称DFGintraDFG信号光与泵浦光的特征泵浦光和信号光是两个独立的脉冲泵浦光和信号光是同一近红外光谱的不同部分，该脉冲的光谱宽度较宽。是否需要延迟线需要不需要产生效率典型工作：在8 μm处的产生效率在0.2-2.6%之间。与DFG方案相比，效率较低，典型工作：<0.5%，在6-10 μm为0.1%。
图1（a）为intraDFG装置：掺镱光纤放大器输出中心波长为1030 nm的260 fs脉冲，重复频率为250 kHz，脉冲能量为200 μJ。经过由多通腔和充气毛细管组成的双级非线性压缩后，一半能量的脉冲用于驱动1 mm厚LGS晶体内的intraDFG过程。用BWP优化intraDFG过程，改变CaF镜片的厚度以适应MIR波长的变化，从而获得最高的效率。
图1（b）为DFG装置：掺镱光纤放大器输出中心波长为1030 nm的260 fs脉冲，重复频率为100 kHz，脉冲能量为200 μJ。其中140 μJ脉冲作为泵浦光，60 μJ脉冲用于产生波长在1150-1450 nm之间可调、能量大于1 μJ的信号光脉冲。泵浦光和信号光最终在2 mm LGS晶体中实现DFG。
图1（a）intraDFG和（b）DFG实验装置图[1]
如图2所示，intraDFG和DFG产生的MIR脉冲波长在3.5-11 μm范围内可调，对应的变换极限脉宽分别为131-56 fs和156-74 fs，对应的脉冲能量分别为20-90 nJ和0.9-1.7 μJ（3.1 μJ@5μm）。
图2 两种差频方式产生中红外脉冲的光谱与能量曲线[1]
实验中采用两种方法测量噪声：脉冲-脉冲稳定性和相对强度噪声（RIN）。图3（a）和（b）分别为NIR和MIR波段的RIN测量装置 。
图3 NIR和MIR波段的RIN测量装置[1]
intraDFG光源（Source1）和DFG光源（Source2）中NIR泵浦光的IRIN值和相应的脉冲-脉冲稳定性测量值如表2所示。对比表2第2行和第3行数据，可知差频过程导致相对强度噪声增加。
表2 光源1和光源2的IRIN与脉冲-脉冲稳定性的测量（RMS）
Type of noise measurementIRINpulse-to-pulse stabilitiesNIR(pump)0.08% / 0.34%0.26% / 0.35%MIR2.7% / 1.3%3.5% / 1.4%
图4（a）和（b）分别为Source1中MIR脉冲的RIN曲线和脉冲能量及稳定性的波长依赖性曲线。IRIN RMS在0.4-11%范围内，随波长的变化趋势与图4（b）中脉冲-脉冲稳定性测量结果一致。
图4 （a）8 μm（红色）、5.5 μm（绿色）和4 μm（蓝色）下的intraDFG源RIN测量值。（b）脉冲-脉冲稳定性（蓝色）和脉冲能量（绿色）作为MIR中心波长的函数。[1]
图5（a）和（b）分别为Source2中MIR脉冲的RIN曲线和脉冲能量、稳定性及晶体增益的波长依赖性曲线。随着波长由长到短，IRIN的RMS值从0.6%变化到1.9%。在4.5-8 μm波长范围内，LGS晶体的增益较高，MIR脉冲的噪声主要由信号光的强度噪声水平决定。在3.5-4.5 μm波长范围内，LGS晶体的增益较低，放大不饱和，抑制了降噪机制，强度噪声在3.5 μm处达到最大值。
图5 （a）Source2在8 μm（红色）、5.5 μm（绿色）、4 μm（蓝色）和3.5 μm（紫色）下的RIN测量值。（b）DFG晶体的增益（绿色）、DFG输入端信号光（蓝色星星）和DFG输出端闲频光（蓝色圆圈）的脉冲-脉冲稳定性。[1]
综上所述，文章研究了基于intraDFG和DFG的可调谐MIR光源的强度噪声特性，有助于设计出低噪声高重复率的MIR光源，拓展在时间分辨分子光谱等领域中的应用。
参考文献：
[1] Bournet, Q. et al. Intensity noise in difference frequency generation-based tunable femtosecond MIR sources. Opt. Express 31, 12693 (2023).
原文标题 : 超快非线性光学技术之七十二 可调谐飞秒中红外光源的噪声特性
许多分子的吸收带位于中红外波段（MIR），因此位于这个波段的飞秒激光光源可用于光谱分析。获得该波段光源的技术之一是差频产生，可分为两种：脉冲间差频（用DFG表示）和脉冲内差频（intraDFG），两种方式的区别如表1所示。近年来的飞秒中红外光源工作多集中在如何提升平均功率，缺少对此类光源噪声的系统分析，本文系统研究了这两种光源的噪声特性[1]。
表1 脉冲间差频与脉冲内差频的对比
方案名称DFGintraDFG信号光与泵浦光的特征泵浦光和信号光是两个独立的脉冲泵浦光和信号光是同一近红外光谱的不同部分，该脉冲的光谱宽度较宽。是否需要延迟线需要不需要产生效率典型工作：在8 μm处的产生效率在0.2-2.6%之间。与DFG方案相比，效率较低，典型工作：<0.5%，在6-10 μm为0.1%。
图1（a）为intraDFG装置：掺镱光纤放大器输出中心波长为1030 nm的260 fs脉冲，重复频率为250 kHz，脉冲能量为200 μJ。经过由多通腔和充气毛细管组成的双级非线性压缩后，一半能量的脉冲用于驱动1 mm厚LGS晶体内的intraDFG过程。用BWP优化intraDFG过程，改变CaF镜片的厚度以适应MIR波长的变化，从而获得最高的效率。
图1（b）为DFG装置：掺镱光纤放大器输出中心波长为1030 nm的260 fs脉冲，重复频率为100 kHz，脉冲能量为200 μJ。其中140 μJ脉冲作为泵浦光，60 μJ脉冲用于产生波长在1150-1450 nm之间可调、能量大于1 μJ的信号光脉冲。泵浦光和信号光最终在2 mm LGS晶体中实现DFG。
图1（a）intraDFG和（b）DFG实验装置图[1]
如图2所示，intraDFG和DFG产生的MIR脉冲波长在3.5-11 μm范围内可调，对应的变换极限脉宽分别为131-56 fs和156-74 fs，对应的脉冲能量分别为20-90 nJ和0.9-1.7 μJ（3.1 μJ@5μm）。
图2 两种差频方式产生中红外脉冲的光谱与能量曲线[1]
实验中采用两种方法测量噪声：脉冲-脉冲稳定性和相对强度噪声（RIN）。图3（a）和（b）分别为NIR和MIR波段的RIN测量装置 。
图3 NIR和MIR波段的RIN测量装置[1]
intraDFG光源（Source1）和DFG光源（Source2）中NIR泵浦光的IRIN值和相应的脉冲-脉冲稳定性测量值如表2所示。对比表2第2行和第3行数据，可知差频过程导致相对强度噪声增加。
表2 光源1和光源2的IRIN与脉冲-脉冲稳定性的测量（RMS）
Type of noise measurementIRINpulse-to-pulse stabilitiesNIR(pump)0.08% / 0.34%0.26% / 0.35%MIR2.7% / 1.3%3.5% / 1.4%
图4（a）和（b）分别为Source1中MIR脉冲的RIN曲线和脉冲能量及稳定性的波长依赖性曲线。IRIN RMS在0.4-11%范围内，随波长的变化趋势与图4（b）中脉冲-脉冲稳定性测量结果一致。
图4 （a）8 μm（红色）、5.5 μm（绿色）和4 μm（蓝色）下的intraDFG源RIN测量值。（b）脉冲-脉冲稳定性（蓝色）和脉冲能量（绿色）作为MIR中心波长的函数。[1]
图5（a）和（b）分别为Source2中MIR脉冲的RIN曲线和脉冲能量、稳定性及晶体增益的波长依赖性曲线。随着波长由长到短，IRIN的RMS值从0.6%变化到1.9%。在4.5-8 μm波长范围内，LGS晶体的增益较高，MIR脉冲的噪声主要由信号光的强度噪声水平决定。在3.5-4.5 μm波长范围内，LGS晶体的增益较低，放大不饱和，抑制了降噪机制，强度噪声在3.5 μm处达到最大值。
图5 （a）Source2在8 μm（红色）、5.5 μm（绿色）、4 μm（蓝色）和3.5 μm（紫色）下的RIN测量值。（b）DFG晶体的增益（绿色）、DFG输入端信号光（蓝色星星）和DFG输出端闲频光（蓝色圆圈）的脉冲-脉冲稳定性。[1]
综上所述，文章研究了基于intraDFG和DFG的可调谐MIR光源的强度噪声特性，有助于设计出低噪声高重复率的MIR光源，拓展在时间分辨分子光谱等领域中的应用。
参考文献：
[1] Bournet, Q. et al. Intensity noise in difference frequency generation-based tunable femtosecond MIR sources. Opt. Express 31, 12693 (2023).
原文标题 : 超快非线性光学技术之七十二 可调谐飞秒中红外光源的噪声特性
