四川大学 | “空气成丝”：简单、稳定的飞秒激光压缩器

具有毫焦脉冲能量、数十瓦平均功率和几飞秒到数十飞秒脉冲宽度的超快激光器在多个方面均有较大的应用需求，例如通过原子分子产生孤立的阿秒脉冲。在过去的十年里，由于较小的量子缺陷以及高功率激光二极管泵浦的通用性，掺镱（Yb）激光器以其优越的功率缩放能力得到了快速发展。但由于发射带宽的限制，掺镱激光器的脉冲宽度通常大于100 fs，这严重阻碍了掺镱激光在超快物理与应用的发展。

为了进一步压缩掺镱激光器的脉冲宽度，一种相对简单的策略是非线性脉冲压缩，其原理基于非线性光谱展宽和色散补偿。目前主流的非线性后级压缩方式有三种：多通腔压缩器、空芯光纤压缩器和薄板压缩器。但这些方法分别存在装置复杂、效率低和损伤阈值低等问题。在过去的十年里，气体中成丝已经被用来实现超短脉冲^[1]。当克尔效应通过衍射和等离子体散焦平衡时，激光将持续地成丝，使得无衍射传播更长。因此，单纯依靠自相位调制引起的光谱展宽更有利于脉冲的高效率压缩。

四川大学梁厚昆教授团队提出了一种简单、稳定、高效的基于级联空气成丝的非线性脉冲压缩技术。Yb掺杂激光器输出的能量为1 mJ的脉冲，其脉宽从160 fs压缩到32 fs，而成丝过程仅损失2.4%能量。掺镱激光系统的峰值功率从6.25 GW提高到24.7 GW，具有良好的光束质量和整个光束轮廓的光谱均匀性。级联空气成丝压缩器具有卓越的长期稳定性，在1小时内测得的功率变化小于0.2%。团队所演示的技术简单、稳定且经济，可用于具有中等压缩因子的掺镱激光器脉冲压缩，为获得高峰值和高平均功率输出铺平了道路。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第6期的文章(Tao Pu, Kan Tian, Bo Hu, Zhongjun Wan, Linzhen He, Xuemei Yang, Han Wu, Yang Li, Weizhe Wang, Houkun Liang. Simple, stable and efficient nonlinear pulse compression through cascaded filamentation in air[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(6): 06000e84)。

该压缩器系统的结构如图１（a）所示。使用自制的Yb:CaAlGdO₄（Yb:CALGO）啁啾脉冲再生放大器作为实验平台，该放大器产生中心波长为1040 nm，重复率为20 kHz，持续时间为 160 fs的脉冲。在实验中，输出了峰值功率为6.25 GW的1 mJ脉冲。级联成丝压缩器由两个相同的模块组成。在激光成丝过程中，主要通过SPM实现非线性光谱展宽。啁啾镜放置在每个非线性光谱展宽级后面，以补偿色散。两级级联模块的激光成丝照片如图1（b）和1（c）所示。

图1 （a）级联空气成丝非线性压缩器的示意图。C：啁啾镜；F：成丝。在第一（b）和第二（c）阶段中在空气中成丝的照片

图2（a）每个压缩级的输入和输出脉冲的光谱；（b）变化极限和实际测量的时间分布

图2（a）中比较了两个非线性压缩级的输入和输出脉冲的光谱。与泵浦光谱曲线相比，压缩后的光谱曲线显著加宽。值得注意的是，在两个成丝阶段，红移都是光谱增宽的主要来源，这表明光谱增宽是由于空气中的克尔和拉曼效应引起的，而与电离损失相关的等离子体产生效应较弱。另外，当脉冲能量在0.8~1.5 mJ的范围内变化时，通过望远镜调整聚焦透镜上的光束大小可以实现类似的光谱增宽。第二级压缩后，脉冲宽度从65 fs压缩到32 fs，脉冲能量为0.83 mJ。总能量的95%包含在主脉冲中，如图2（b）所示。

该级联空气成丝压缩器简单、稳定、高效，与MPC、HCF和多板式压缩机相比，不需要对泵浦进行精细对准和对气室进行精确的压力控制。此外，不存在损坏HCF和薄板等光学部件的风险。如果使用更多级的空气成丝压缩器，有望通过使用定制的啁啾镜来高效地获得低于10 fs的脉冲。

参考文献：