超快非线性光学技术之三十九级联多通腔产生少周期脉冲

2023-03-20 14:07

脉冲后置压缩技术可以产生少周期脉冲，这样的脉冲有望用于超快泵浦探针光谱、阿秒科学、XUV产生等。利用多通腔进行脉冲压缩具有装置简单紧凑、光束质量高、承受功率高、效率高等优点，但因腔镜带宽限制，难以获得低于15fs的脉宽。

传统多通腔通常选择介质镜作为腔体材料，其具有高反射率（>99.9%），但只有一个倍频程的带宽，压缩后的脉宽被限制在30fs左右。金属腔镜具有宽带宽、小色散的优点，但反射率略低（<99%）。将脉冲压缩到几个周期以下还需精细的色散控制，常需要利用色散镜等器件补偿高阶色散。本篇介绍利用级联多通腔和色散控制来高效获得少周期脉冲的代表性工作[1]。

图1 两级多通腔装置示意图[1]

实验装置如图1所示，由前端、两级多通腔组成。驱动激光选择了商用的Pharos光源，可以提供脉宽230fs、重频1MHz、单脉冲能量12μJ、功率12W的稳定输出。第一级多通腔采用曲率为150mm、100mm的不对称腔镜，在非中心位置放置了3mm的熔融石英作为非线性介质。脉冲在内部30通后经过啁啾镜压缩获得了39fs的输出。第二级多通腔腔镜选择色散镜（参数如图2所示）。其具有宽带高反射率（>99%）的优点，而且可以提供负的群延迟色散。腔内充有正群延迟色散的氩气，可以通过氩气压强和腔镜表面往返次数控制整体色散的正负。

图2 第二级MPC中所使用的反射镜的透过率和群延迟色散(GDD)曲线[1]

腔内气体为8.5bar时，整体近似为零色散。调节腔内气体为8.6bar，此时腔内脉冲在少量的正色散下进行展宽压缩，最终经啁啾镜压缩后获得了6.9fs（如图3）的短脉冲。光束质量测量结果如图4，从中可知光谱均匀性 >99%，M2 <1.2，功率可维持长时间稳定。

图3 第二级多通腔压缩后光谱（a）及脉宽（b）[1]

图4 第二级压缩后光束质量测量（a）光谱均匀性（b）功率稳定性（c）M2因子[1]

减小腔内压强至8bar，腔内脉冲在负色散下展宽，获得了更宽的光谱（700—1450nm），其光谱如图4橙色范围,此时脉冲的傅里叶变化极限 <5fs。但负色散下光谱的宽度超过了金属镜带宽，使得装置效率降低 <80%。

图5 装置输出光谱。黄色为第一级、紫色为第二级、橙色为负色散展宽[1]

本文作者通过级联多通腔和色散控制的方式高效率地获得了6.9fs的高质量脉冲。未来通过负色散控制与选择合适带宽金属镜，有望进一步将脉宽降低至5fs以下。

参考文献：

[1] Goncharov S, Fritsch K, Pronin O. Few-cycle pulse compression and white light generation in cascaded multipass cells[J]. Optics Letters, 2023, 48(1): 147-150.

原文标题 : 超快非线性光学技术之三十九级联多通腔产生少周期脉冲