在超快激光系统中，为满足高精度时间分辨相关前沿应用的需求，脉冲通常需压缩至少周期（few-cycle）乃至亚10飞秒（sub-10fs）水平。传统脉冲压缩方法通常依赖特定结构的色散补偿元件，如啁啾镜、光栅对、空芯光纤或透明固体材料。这些方案虽有效，但涉及器件复杂、系统体积较大，且对对准精度与环境稳定性要求较高。

研究人员提出了一种基于常压空气环境下锥形辐射（conical radiation）的飞秒脉冲自压缩方法，在不引入额外色散补偿结构的情况下，将初始98 fs的近红外激光脉冲压缩至8.8 fs [1]。

整体实验装置如图1所示，系统主要由三部分构成：聚焦透镜用于激发空气等离子体产生锥形辐射，凹面银镜用于重新准直锥形光束，最后通过直径4 mm的空间光阑选取压缩区域。压缩后脉冲进入SHG-FROG系统进行脉宽测量，同时由光栅光谱仪测量其光谱特性。该实验采用钛宝石激光激光，输出为中心波长804 nm、单脉冲能量1.8 mJ的98 fs脉冲。激光通过一个焦距为150 mm的熔石英凸透镜聚焦至常压空气中，聚焦过程中激光脉冲首先经历自相位调制（SPM）所导致的光谱展宽。

图1 实验装置示意图[1]

在接近聚焦点时，激光峰值强度超过空气的电离阈值，激发出等离子体火花。该等离子体区域在空间上形成负的群速度色散（GVD），对激光脉冲前后沿传播速度产生调制。由于SPM所引入的正色散与等离子体产生的负色散在传播过程中部分补偿，从而在自由空间中实现脉冲的自压缩。

激光等离子体在空气中形成锥形辐射结构，锥形边缘部分包含经过时域压缩的蓝移脉冲。研究人员在距离焦点约250 mm处，通过上述光阑选取锥形外围区域，以提取其中的自压缩脉冲。如图2所示，测得该部分脉冲的中心波长约为680 nm，蓝移相较输入脉冲显著，同时其光谱带宽扩展至600–800 nm范围。

图2 激光聚焦空气锥形辐射自压缩输出光斑和光谱[1]

在未使用任何色散补偿元件的情况下，SHG-FROG测量显示该脉冲被压缩至8.8 fs（FWHM），对应傅里叶变换极限宽度为5.1 fs，结果如图3所示。通过空间筛选获得的压缩脉冲，单脉冲能量约为44 μJ，转换效率为2.4%。该能量水平可满足多数典型的超快泵浦–探测和时间分辨非线性光谱实验需求。

图3 SHG-FROG测量结果显示脉冲压缩至8.8 fs[1]

为评估系统稳定性，实验连续运行1.2小时，每秒记录一次脉冲能量与指向角度。能量波动的均方根值（RMS）为1.1%。利用远场焦平面成像测得光束漂移角度，结果表明水平方向为5.5 μrad、垂直方向为5.0 μrad，整体系统表现出良好的输出稳定性与指向保持性，结果如图4所示。

图4 单脉冲能量与光束指向角度在1.2小时内的波动统计[1]

该方法在不引入额外非线性介质或色散补偿元件的前提下，仅依靠空气非线性响应与等离子体色散特性完成脉冲自压缩。相较传统空芯光纤方案，无需真空系统与高精度气体控制；相较玻璃薄片压缩方案，则无需复杂色散补偿结构，装置结构更为紧凑。

需要指出的是，该方法的脉冲压缩依赖于较高的入射峰值功率，压缩区域能量提取效率有限，因此当前更适合用于中等能量的激光系统中，尤其是在需要压缩结构简化、装置稳定性高的实验条件下。

参考文献：

[1] X. Xie, A. L. Cavalieri, and S. L. Johnson, Self-compression of femtosecond laser pulses in ambient air through conical radiation, Opt. Lett. 48, 5101 (2023). https://doi.org/10.1364/OL.501319

       原文标题 : 超快非线性光学技术之六十九 基于空气中锥形辐射实现飞秒脉冲自压缩