高脉冲能量的少光学周期脉冲（<50 fs）在太赫兹产生、激光等离子体加速和激光等离子体X射线源等领域有着重要的作用。近年来，掺镱薄片放大器已被证明脉冲能量可达0.5 J以上，平均功率可超过2 kW。但受限于增益带宽，此类激光系统无法通过光栅对等通常压缩器件直接压缩到50 fs以下。针对该难题，可以采用基于多通腔（MPC）的非线性脉冲压缩方法展宽激光的光谱，然后经过啁啾镜补偿相位从而产生更短的脉冲。本次分享的文章使用掺镱薄片再生放大器产生200 mJ脉冲，并将其通入充氦气的MPC中展宽光谱，最终通过啁啾镜压缩得到<45 fs脉冲[1]。
图1 实验装置图[1]
实验装置如图1所示，前端为TRUMPF公司的掺镱薄片再生放大器（Dira1000-5），将输出5 kHz、156 mJ的脉冲作为信号光源。用于模式匹配的望远镜系统、聚焦镜和再准直镜，以及MPC镜片阵列放置在长12 m、宽0.7 m的充满800 mbar氩气的腔室内。MPC采用Herriot型实现多通传输，24通后的总B积分为50.4 rad，MPC传输效率超过96%，输出腔室外的脉冲能量仍有150 mJ。由于实验无法满足全能量压缩所需要的真空室条件，该课题组使用楔形镜分出2 mJ的光并输入啁啾镜压缩系统中，最终得到38.8 fs的输出脉冲。图2展示了采用二次谐波FROG（SH-FROG）方法测量得到的压缩后脉冲。
图2 156 mJ脉冲非线性压缩后的时间特性[1]
为了测量保持光束质量（以因子为评价标准）所需的空间－光谱均匀性，该课题组利用安装在精密针孔后的芯径为200 μm的多模光纤，以0.2 mm的步长在横向光束剖面的两个正交轴上测量了光谱。如图3所示，在的光束直径范围内，两个正交轴的均匀性>92%，同时测量得到X轴和Y轴的值分别为1.46和1.37，这说明MPC基本不会影响光束质量。
图3 156 mJ脉冲非线性压缩后的空间光谱特性[1]
随后，该课题组根据计算调整了MPC的设置，并使用Dira1000-5输出200 mJ信号光进入装置内，以测试极端条件下多通腔的性能。输入200 mJ时，能够明显地观察到由于腔内气体电离导致的光散射现象，且伴随着轻度的退化。此外，从图4（d）中绿色点线发现，电离导致光谱产生未补偿的三阶相位，从而影响了脉冲的压缩效果。由于电离随着时间的增加变得越来越强烈，课题组推测源于MPC真空室的气密性不足，导致环境空气泄漏进了腔内，从而引发了电离现象。尽管如此，如图4（c）所示，脉冲仍能压缩到45 fs以下。
图4 200 mJ脉冲非线性压缩后的时间特性[1]
本论文提出了一种由超快薄片放大器和Herriott型MPC组成的高脉冲能量激光源，重复频率为5 kHz，脉冲能量为200 mJ，脉冲可压缩至45 fs以下。在进一步解决全能量压缩问题后，该装置有望在激光等离子体加速等领域发挥重要作用。
参考文献：
[1] Pfaff, Y., Barbiero, G., Rampp, M., Klingebiel, S., Brons, J., Teisset, C. Y., ... & Metzger, T. (2023). Nonlinear pulse compression of a 200 mJ and 1 kW ultrafast thin-disk amplifier. Optics express, 31(14), 22740-22756.
原文标题 : 超快非线性光学技术之五十三 多通腔压缩200mJ、1kW脉冲
