長波紅外光指的是8到15 μm波段的紅外光，應用領域包括超快分子光譜學、強場光物質物理學等。這一波段的脈沖主要通過二氧化碳激光器和固體介質中的頻率轉換產生，二氧化碳激光器的參數優秀，但體積大、維護難；基于晶體的光參量放大或差頻產生在10 μm以下表現優秀，但在長波段存在效率低的問題。受激拉曼散射是一種應用廣泛的頻率下轉換技術，常用于產生1.2 μm及以下的近紅外波段的脈沖。氣體分子的振動退相時間在百皮秒以上，當脈沖的寬度在皮秒以下時，所引發的受激拉曼散射是瞬態的，其強度僅與脈沖能量有關，因此可以通過引入啁啾降低峰值功率的方式避免自相位調制的影響。對啁啾脈沖而言，脈沖激發氣體分子需要時間，受激拉曼散射發生在脈沖的后沿，如圖1(a)所示。

此時有部分光譜未參與散射，斯托克斯光的光譜較窄，壓縮后得到的脈沖寬度大。可以通過雙脈沖的方式解決這一問題，如圖1(b)所示：兩個時間間隔百皮秒以內、正交偏振的脈沖先后在氣體中傳播；經第一個脈沖激發后，對第二個脈沖而言介質中存在大量激發后的氣體分子，也就是聲子，從而在前后沿均產生較強的受激拉曼散射，S偏振的斯托克斯光可經偏振器件和雙色鏡濾出。波段更長的斯托克斯光需要氣體分子具有較大的振動頻移，氫分子較為合適。使用1064 nm泵浦光進行兩級拉曼散射即可獲得9.2 μm的斯托克斯光。為了改善效率和脈沖質量，使用單次受激拉曼散射產生長波紅外光，則需要泵浦波長在1.8 μm以上[1]。

圖1 單脈沖和雙脈沖激發受激拉曼散射[1]

當泵浦波長大于1.8 μm時，氫分子的轉動拉曼增益變得顯著，但可以通過波導結構將其抑制。在自由空間中，當氣壓大于5 bar，泵浦波長大于2 μm時將以轉動能級對應的拉曼散射占主導，而在空芯光纖中，S型色散曲線使得轉動能級對應的泵浦、斯托克斯和反斯托克斯光達成相位匹配，及時消耗轉動能級對應的聲子從而抑制斯托克斯光的產生。由于轉動能級的相位匹配波長比振動更低，可以在長波長部分使得振動能級對應的受激拉曼散射占主導。仿真表明，與單脈沖相比，雙脈沖情況下，斯托克斯光的光譜較寬，可壓縮的脈寬較窄，脈沖能量也較高。

但是，兩種情況下的Strehl比，也就是實際和變換極限脈沖的峰值功率之比均較低，基底較大，光譜的抖動也較大，同時，考慮到兩個脈沖的總能量，轉換效率并沒有提升。康奈爾大學的Yi-Hao Chen等人提出可以減小第一個泵浦脈沖波長，采用雙波長雙脈沖的方案來解決這些問題，如圖2所示[1]。在雙波長雙脈沖方案中，第一個脈沖僅用于激發氫分子，所激發聲子頻率與脈沖波長無關，可以減小第一個脈沖的波長，從而抑制反斯托克斯光，提升脈沖質量，同時提升拉曼增益，降低對脈沖能量和光纖長度的要求，此外還降低了單個光子的產熱量。

圖2 雙波長雙脈沖的受激拉曼散射[1]

圖3展示了波長分別為0.8 μm和2 μm，能量均為2 mJ和5 mJ，變換極限脈寬均為50 fs，展寬至10 ps的雙波長雙脈沖在充有20 bar氫氣、芯徑為300 μm的空芯光纖中進行受激拉曼散射的模擬結果。圖3(a)展示了總光子數、泵浦光子數、斯托克斯光子數和反斯托克斯光子數隨傳播距離的變化情況，第一個脈沖主要發生頻率下轉換，產生斯托克斯光，而第二個脈沖中則同時產生斯托克斯和反斯托克斯光，但以斯托克斯光占主導，這是通過調整第一個脈沖的波長和氣壓，從而修改相位匹配條件實現的。圖3(b, c)展示了斯托克斯光的光譜和時域波形，光譜較寬，抖動較小，壓縮后脈寬可達88 fs，Strehl比為0.8，脈沖能量為420 μJ。

圖3 雙波長雙脈沖方案模擬結果[1]

圖4(a-d)分別展示了雙波長雙脈沖方案的量子效率，相對峰值功率，Strehl比和脈沖能量最大時的模擬結果，其中相對峰值功率代表模擬結果與第二個脈沖完美轉換為斯托克斯脈沖時峰值功率的比。從圖中可以看出，當0.8 μm脈沖的能量高于1 mJ時即可充分激發氫分子，使得2 μm脈沖的受激拉曼散射具有較高的量子效率。當2 μm脈沖能量較低時，不足以產生斯托克斯光，能量較高時則受自相位調制的影響，使得相對峰值和Strehl比降低。當0.8 μm脈沖能量較高時，將激發級聯受激拉曼散射，產生具有多種波矢的聲子，干擾2 μm脈沖的受激拉曼散射過程。當兩個泵浦脈沖能量均較高時，斯托克斯脈沖的Strehl比降低為0.5。黑色虛線框出了Strehl比和產生效率較高的參數區間。

圖4 雙波長雙脈沖方案的參數優化

在單波長雙脈沖方案中，Strehl比和產生效率是不能同時達到最優的，當第一個脈沖太弱時，不足以充分激發氫分子，使得第二個脈沖產生斯托克斯光的效率較低；當第一個脈沖太強時，其自身產生的斯托克斯光所激發的聲子與第二個脈沖達成相位匹配，引起第二個脈沖產生較強的反斯托克斯光，與斯托克斯光干涉，降低了Strehl比。總的來說，在長波紅外波段，雙波長雙脈沖受激拉曼輻射存在峰值功率高、光譜寬、穩定、脈沖質量好的優點，但需要前端光源可以產生同步的不同波長的高能量脈沖，裝置較復雜，總效率比單波長方案低，適用于對峰值功率和脈沖質量要求高的應用場景。