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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

2022-12-05 17:45
光波常
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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]。

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

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