超短波长的相干光源对于原子和分子系统、先进纳米材料、等离子体和生物成像系统的研究至关重要。该波段产生的技术之一是高次谐波产生过程，它涉及到从飞秒激光器或光参量放大器到极紫外(EUV)或软X射线频率的紫外-可见-红外脉冲的波长转换。本文介绍一种绿光波段的多薄片脉冲压缩技术，且该技术可扩展至紫外至红外波段。系统装置图如图1所示，该系统由BBO倍频和CaF?薄片组展宽压缩两部分组成。通过BBO晶体该系统将重复频率为100 kHz、中心波长在1030 nm的红外光转换为515 nm的绿光，倍频效率70%，倍频后绿光能量为56 μJ，脉宽为180 fs。展宽部分采用8片1 mm厚的CaF?薄片作为展宽介质。CaF?薄片沿[111]方向切割，以尽量减少脉冲的时间空间畸变。

与蓝宝石、熔融二氧化硅等常用的材料相比，CaF?提供了更小的二阶及高阶色散。紧聚焦可以使单个薄片产生显著的光谱展宽，但是大量的非线性积累会导致严重的光束畸变和分裂，使得压缩后脉冲质量急剧下降。控制单个薄片的B积分在一个合适的范围可以保证脉冲压缩质量，本系统控制单个薄片B积分为1.43 rad，通过控制第一个薄片上光斑大小及不同薄片之间的距离（50 mm）使得脉冲在薄片组内传播时近似满足空间孤子，每个薄片上的光斑大小（350±10 μm）、脉冲宽度（200 ± 10 fs）基本一致，最终展宽后的脉冲经过棱镜对压缩补偿二阶色散。

图1 多薄片压缩装置示意图[1]。

图2展示了脉冲经过薄片组后光谱展宽的结果。经过8片CaF?薄片后的透射率为95%，整体压缩效率为75%。图2A展示了不同薄片后光谱展宽的结果，B图展示了对应的变换极限脉冲，可以看到光谱在经过6片薄片之后不再明显展宽。C图展示了经过棱镜对后计算的各阶色散值，二阶色散补偿量在2000-3000 fs²的范围内时，高阶色散值较低对脉冲的时域形状影响较小。

图2 A经过每个薄片后光谱展宽结果；B经过不同薄片后变换极限脉冲的实验及模拟结果；C棱镜对压缩后各阶（2-10阶）色散值[1]。

压缩后的脉冲测量结果如图3所示，自衍射FROG和二次谐波产生FROG测量压缩脉冲宽度接近，均为35 fs左右。

图3 压缩的低于40秒的VIS脉冲的FROG测量[1] 。

CaF?晶体在较长的光谱范围内有高透射率、低色散的优点，选取合适的参数可以让脉冲在CaF?薄片组内传输是形成空间孤子，这种方式适用于紫外至红外（258 - 1030 nm）波段的脉冲压缩。表1展示了使用二倍频、三倍频、四倍频不同波段光源时的具体参数选择。

本文介绍了基于CaF?薄片组的绿光波段脉冲压缩技术，将重复频率为100 kHz的绿光脉冲由56 μJ、180 fs压缩至42 μJ、35 fs。利用该光源驱动高次谐波产生有望获得13.5 nm的EUV光源。

参考文献：

[1] Wang S, Yan J, Song S, et al. High-performance ultrafast pulse compression in the visible spectral range for extreme nonlinear optics at kHz-MHz repetition rates[J]. arXiv preprint arXiv:2307.01164, 2023.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之五十四 基于多薄片的绿光脉冲压缩技术