超快非线性光学技术之四十一 多通腔压缩515nm脉冲

多通腔（Multipass cells, MPCs）技术的出现推动了后置压缩技术的快速发展，在近红外波段可产生mJ量级少周期脉冲，为高次谐波产生等应用提供了优质光源。将这一技术拓展至可见光和紫外波段将进一步扩大其应用范围。例如，采用波长位于可见光波段的少周期脉冲驱动高次谐波产生，有望将转换效率提高一个数量级。然而，在可见光波段，腔镜的线性吸收和非线性吸收都显著增强，对腔镜的镀膜提出严苛要求。

2022年，Victor Hariton等人首次在实验中搭建了工作在绿光波段的多通腔压缩装置，在固体多通腔中实现了从250fs至38fs的压缩结果，并研究了气体多通腔中气压和脉冲能量对光谱展宽的影响[1]。实验装置如图1所示。

前端为平均功率15W、脉冲宽度250fs、中心波长1030nm的超快光源，在BBO晶体中倍频得到515 nm飞秒脉冲，之后分别进入固体或气体多通腔内进行光谱展宽，最后利用啁啾镜进行脉冲压缩。

固体多通腔腔镜曲率半径分别为300mm和200mm，直径为25mm。固体多通腔中的压缩结果如图2所示，图a中灰色阴影区域和绿色阴影区域分别为实验中输入和输出光谱，明显表现出由自相位调制主导光谱展宽的特征。绿色曲线和红色虚线分别为FROG反演所得光谱以及光谱相位。图b为脉冲压缩结果，实验压缩结果为38fs，接近变换极限脉冲的35fs。压缩因子接近7，多通腔展宽以及啁啾镜压缩整体效率为84%。

气体多通腔中腔镜曲率半径均为50mm，直径25.4mm。分别充入氩气和氮气作为非线性介质。如图3所示，输入脉冲能量固定时，随着氩气和氮气气压增加，光谱展宽量逐渐增加。同样，气压固定时，增加入射脉冲能量也导致光谱展宽增加。光谱展宽量最大时对应的变换极限脉冲如图3c, f中插图所示，脉冲宽度均小于20fs。

2023年，来自耶拿大学的Maximilian Karst等人同样采用气体多通腔结构，将绿光多通腔压缩参数进一步提升，实验装置如图4所示[2]。

实验前端的光纤激光器输出平均功率为55W、能量为1.08mJ的280fs脉冲。经过BBO晶体后产生29W绿光，脉冲能量为0.57mJ，脉冲宽度为240fs，倍频效率超过50%。多通腔腔镜曲率半径均为1m，直径50mm。之后经过4mm熔石英和28片色散镜进行色散补偿。实验结果如图5所示，最终获得平均功率为22.4W、能量为0.44mJ的15.7fs脉冲。多通腔压缩因子超过15，整体压缩效率超过40%，M2因子均小于1.2。

可以预见，随着可见光波段镀膜技术的发展，工作在可见光波段的多通腔压缩技术将不断进步，产能平均功率更高、能量更大的少周期飞秒脉冲，为高通量高次谐波产生提供优异的驱动光源。

参考文献：

[1] Victor Hariton, Ammar Bin Wahid, Gonçalo Figueira, Kilian Fritsch, and Oleg Pronin, “Multipass spectral broadening and compression in the green spectral range,” Opt. Lett. 47, 1246-1249 (2022)

[2] Maximilian Karst, Pauline Pfaller, Robert Klas, Ziyao Wang, Philipp Gierschke, Jan Rothhardt, and Jens Limpert, “22-W average power high pulse energy multipass-cell-based post-compression in the green spectral range,” Opt. Lett. 48, 1300-1303 (2023)