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超快非线性光学技术之十六 利用多通腔压缩产生高功率少周期脉冲

2021-09-14 14:18
光波常
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高功率、少周期驱动激光器可以应用于电子加速、极紫外相干衍射成像和瞬态吸收光谱以及孤立阿秒脉冲的产生。目前少周期光源的获得主要有参量放大或者利用空芯光纤进行非线性压缩这两种方式,但二者都无法获得千瓦量级的少周期激光光源。多通腔压缩具有效率高、光束稳定性好的优点。最近,德国Jena大学课题组利用两级多通腔对平均功率500W的1mJ脉冲进行压缩,产生了高功率少周期脉冲。

图1 两级多通腔压缩装置原理图

图1为实验装置。由16根掺镱光纤相干合成的啁啾脉冲光纤放大器,产生了500kHz、1mJ、200fs的脉冲光。在第一个充满氩气的Herriott多通腔中,通过非线性光谱展宽和啁啾镜压缩使脉冲持续时间减少到31 fs(如图2)。

图2 一级多通腔光谱展宽及脉冲宽度

被压缩后的脉冲随后进入另一个由13个直径为1英寸的介质增强镀银硅反射镜组成的多通腔,反射镜曲率为1m,被固定在两个相距1.95m的阵列架上,阵列架的衬底接有水冷。反射镜上的介质增强银涂层在不引入显著色散的情况下避免了过多的反射损耗和热负荷。反射镜的衬底材料为单晶硅,具有低膨胀和良好的导热性,可以有效冷却,并最大限度地减少吸收引起的热像差。激光在二级多通腔内13次经过焦点,腔内宽带高反射率的银镜使得光谱展宽至750nm至1300nm(如图3),随后通过三个楔形镜将绝大部分光引出,测量其功率为388w,该多通腔的效率高达82%。其余光通过石英玻璃窗口引出,通过D扫描测量可得其脉宽为6.9fs (如图4)。

图3 二级多通腔后的光谱展宽图

图4  D扫描测量脉冲宽度

文章最后,作者通过Matlab有限元分析的方法,将第二级多通腔反射银镜简化为三层结构(如图5a),设置初始条件对其进行温度分布的仿真计算,计算结果表明在光束稳定的前提下(M^2<1.2)该结构最大可以获得2.2kw的输出功率(如图5b)。

图5 Matlab有限元分析及其结果

本实验通过选取两级多通腔压缩的方案,在第二级压缩选取镀有银膜的反射镜解决了宽带反射及色散问题,采用单晶硅衬底解决受热膨胀问题,从而将光谱展宽至750-1300nm,最终压缩获得了平均功率388w、单脉冲能量776μJ、脉宽为6.9fs的少周期脉冲,且光束质量好、稳定性高。该光源将在电子加速、极紫外相干衍射成像等方面有重要应用。

参考文献:

[1] Michael Müller, Joachim Buldt, Henning Stark, Christian Grebing, and Jens Limpert, "Multipass cell for high-power few-cycle compression," Opt. Lett. 46, 2678-2681 (2021)

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