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超快非线性光学技术之三十五 分脉冲非线性压缩技术

2022-12-26 15:46
光波常
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分脉冲(divided pulse)与光学放大相结合产生了分脉冲放大(Divided pulse amplification, DPA)技术。近年来,很多课题组又将分脉冲应用于各种非线性脉冲压缩方案,发展了分脉冲非线性压缩技术,用来提升脉冲能量。

本期介绍的第一个工作首次将分脉冲与多通腔压缩相结合。多通腔压缩具有很多优点,比如较高的透过率以及可以对千瓦、毫焦脉冲进行安全可靠的非线性压缩等,然而它也受到腔镜光学损伤阈值和气体电离的限制。为了克服这些限制,德国耶拿Limpert课题组将分脉冲技术用于多通腔压缩实验中[1]。实验装置如图1所示,前端是16路基于啁啾脉冲放大技术(CPA)的光纤激光器,合成后光束直径是8mm,并通过两级CPA压缩,可以输出平均功率200W、脉冲能量4mJ、脉冲宽度175fs的激光。输出激光经过两块BBO晶体分成四个脉冲后进入多通腔中展宽光谱,之后经过BBO晶体实现脉冲合成,最后使用多片啁啾镜压缩合成后的脉冲。

图1:分脉冲多通腔非线性压缩实验装置图[1]

多通腔内部充350mbar氩气,光束通过26次,整个系统紧凑且完全被动稳定,整体输出效率84%,最终输出功率为169 W。压缩前后光谱如图2左图所示,压缩后光谱的20dB 带宽时约120nm。由于时域脉冲合成时存在寄生脉冲或者不完美合成导致光谱存在调制。图2右图中的脉冲接近脉冲变换极限宽度32fs,在800 fs处可以看到可以忽略不计的小脉冲,而在1600 fs处根本看不到任何小脉冲,表明具有很好的脉冲时域对比度与合成效果。

图2:压缩前后光谱(左图)与自相关曲线(右图)[1]

本期介绍的第二个工作则是将分脉冲与空芯光纤压缩相结合,压缩高能量脉冲。利用充有惰性气体的空芯光纤压缩脉冲,要避免自聚焦效应以及气体电离,可采用的方案包括改变脉冲偏振态为圆偏振、引入气压梯度、利用空芯光纤的高阶模式等,但这些方法依然不能将可压缩的脉冲能量提升到气体电离阈值之上。G. W. Jenkins等人利用分脉冲提升可压缩的脉冲能量,实验装置如图3所示,他们利用方解石、半波片和偏振器对脉冲进行分脉冲与合成,利用充有Xe气的空芯光纤作为光谱展宽介质,再利用啁啾镜压缩合成后的单脉冲。

图3:空芯光纤分脉冲压缩装置图[2]

图4为实验中展宽后的光谱,具有由自相位调制效应展宽的典型旁瓣结构,其中调制条纹间距为 0.5 nm,与方解石引入的 7.2 ps 延迟相匹配。最后使用啁啾镜引入–18000fs2的色散,将脉冲压缩为 89 fs,峰值功率为变换极限脉冲峰值功率的91%,该脉冲具有5.0mJ的能量。

图4:压缩后光谱与脉冲曲线[2]

总之,德国耶拿课题组首次成功地将分脉冲应用到多通腔非线性脉冲压缩方案中,使用四个脉冲进行光谱展宽,将现有多通腔压缩的总输出脉冲能量提升至 3.4 mJ,平均功率为 169 W。G. W. Jenkins等人使用分脉冲来克服空芯光纤压缩中的电离限制,对于单个脉冲,电离将输出脉冲能量限制为2.7 mJ。通过将脉冲分成四个低能量脉冲,该课题组获得了5.0 mJ的压缩脉冲。

参考文献:

[1] Stark, Henning, et al. "Divided-pulse nonlinear compression in a multipass cell." Journal of Physics: Photonics 4.3 (2022): 035001.

[2] Jenkins, G. W., Chengyong Feng, and Jake Bromage. "Energy scaling beyond the gas ionization threshold with divided-pulse nonlinear compression." Optics Letters 47.6 (2022): 1450-1453.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之三十五 分脉冲非线性压缩技术

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