掺Yb的超快光源因其高重频、高功率的特点，有望用于驱动高通量高次谐波产生。但掺Yb光源的增益带宽较窄，脉宽通常很难小于几百飞秒，利用Kerr介质中自相位调制效应展宽光谱，然后进行时域压缩可以有效地缩短脉宽。
多通腔在压缩高平均功率、大脉冲能量飞秒脉冲方面有着独特的优势。气体多通腔虽然可以压缩＞100mJ能量的脉冲，但是装置相对复杂、占据面积较大且需要昂贵的充气设备。相比之下，固体多通腔则更加简单高效，同时可以压缩峰值功率超过熔融石英自聚焦阈值（4．2MW）的脉冲。当脉冲的峰值功率超过自聚焦阈值50倍以上，空间非线性将恶化脉冲质量，甚至出现成丝现象。为了解决该难题，瑞典隆德大学课题组将多个薄片Kerr介质放置在腔内非焦点处，成功实现了对单脉冲能量170μJ、峰值功率370MW脉冲的压缩［1］。
(资料图片仅供参考)
图1 装置示意图［1］
实验装置（如图1）由前端、光栅对压缩、模式匹配、多通腔展宽、啁啾镜压缩5个部分组成。其前端是一个CEP稳定的钛宝石振荡器，产生200kHz、5fs脉冲，选择1030nm波段附近的光谱成分，展宽后经过预防大、棒状光纤主方大，最终得到了38W 、1ns的脉冲，再经过光栅对压缩后，导入到多通腔。第二个光栅和反射镜固定在一个电动平移台上，可以控制脉冲进入多通腔之前的预啁啾，研究在什么情况下光谱展宽最宽而且脉冲压缩质量更高。在0．9mm时候（图2灰色直线处），脉冲基座最小，且主脉冲能量占比高（82％），此时输入脉冲宽度为300fs、峰值功率为370MW，是自聚焦阈值的80多倍。在多通腔中往返15次后，利用啁啾镜补偿了－2800fs＾2的色散后，最终产生了平均功率为30W、脉冲宽度为31fs的压缩后脉冲，单脉冲能量为150μJ，脉冲峰值功率高达2．5GW，是现在固体多通腔压缩的最高功率，而且主脉冲能量占比77％，压缩效果较好，压缩效率为88％。
图2 （a）输入脉冲随光栅位置的改变及主脉冲能量占比（红色）；（b）和（c）为测量和模拟MPC展宽后光谱［1］。
作者测量了系统的长期稳定性和光束的空间均匀性（如图3）。一个小时内，输入及输出的功率均方根差分别是0．27％及0．32％，脉宽的波动仅有0．2fs。作者用f－2f干涉仪得到平均时间1s的光谱干涉条纹：（a）是自由运行状态，（b）是锁定CEP后的结果。（c）和（d）图是模式匹配前和多通腔压缩后的M＾2，均＜1．2。（e）图是x和y方向的光谱和时间分布，x方向基本对称，y方向有所偏移，随后作者测量了输入多通腔前光束x和y方向的光谱和时间分布，得到了同样的结果，说明y方向的不对称并非多通腔引入，可能是由光栅对处反射镜在y方向上的偏折所引起，但整体来说光斑质量已经满足了高次谐波产生的要求。
图3 光束质量相关参数测量 ［1］
总之，本文利用固态多通腔成功实现了对峰值功率370MW、单脉冲能量170μJ脉冲的压缩，压缩后脉冲宽度为31fs，且光斑质量较好、脉冲基座较小，为高次谐波产生提供了高质量的驱动光源。
参考文献：
［1］ Ann－Kathrin Raab， Marcus Seidel， Chen Guo， Ivan Sytcevich， Gunnar Arisholm， Anne L’Huillier， Cord L． Arnold， and Anne－Lise Viotti， ＂Multi－gigawatt peak power post－compression in a bulk multi－pass cell at a high repetition rate，＂ Opt． Lett． 47， 5084－5087 （2022）
原文标题 : 超快非线性光学技术之三十三 利用固体多通腔压缩高峰值功率脉冲
