1.4-3μm波段内的短波红外（SWIR）可用于产生中红外、THz、研究光电离机制，且长波长在产生高次谐波时的相位匹配截止能量更高。产生SWIR的方法主要有OPCPA和以掺Ho或掺Tm材料为增益介质的CPA系统，其中OPCPA可产生sub-20fs、功率>100W的脉冲，但其转换效率最高仅16%；由于增益介质带宽有限，CPA输出脉宽较长，实验中可结合后压缩技术缩短脉宽，如固体薄片、充气空芯光纤和MPC等。MPC具有效率高、光束质量好、光谱展宽均匀、对光束指向和形状变化不敏感等优势。相较于1μm波段，工作在2μm波段的MPC对应更大的本征模面积，可减少腔镜损伤；长波长电离阈值较大，可避免焦点处的光电离。本文利用MPC得到了平均功率为144W、脉宽为20fs、重频为101kHz的2μm脉冲[1]。

图1：实验装置[1]图1展示了实验装置，前端是四路相干合成的掺Tm光纤系统，可提供平均功率为178W、脉冲能量为1.76mJ的80fs脉冲，重频为101kHz，中心波长位于1930nm。光束经过透镜组实现模式匹配后入射至MPC腔体，两侧腔镜的曲率半径为750mm，相距1443mm，腔镜在1675-2125nm波长内的GDD小于25fs2，光束焦点直径为0.59mm，腔镜处光斑直径为3.03mm。由于输入脉冲脉宽较窄，仅需15通便可实现足够的光谱展宽。MPC装置封闭在真空密闭容器中，实验在低于1 bar的气压下开展。腔内充入Kr作为非线性气体，气压≤550mbar，同时加入350mbar的He增加散热，防止潜在的热致漂移。光束使用曲率半径为4500mm的反射镜准直，经5mm的熔融石英窗口输出。使用楔形熔融石英板反射一小部分光束探测，采样光束经1mm厚的熔融石英输入至探测器，透射光束经5mm厚的熔融石英检测功率。系统的压缩器由熔融石英组成，采样光束到达探测器前，共经过6mm的熔融石英，可提供-518fs2的二阶色散。

图2：（a）光谱（b）脉冲时域形状（c）M2因子（d）功率稳定性[1]在充有200mbar Kr、350mar He时，输入脉冲功率为178W、能量为1.76mJ的86fs脉冲，经MPC系统压缩后输出功率为165W，效率为93%。MPC的输出光谱与压缩后脉宽如图2（a、b）所示，光谱-20dB处带宽为341nm，压缩后脉宽为30fs，接近变换极限脉冲。压缩后脉冲峰值功率可达37GW。输出光束在x、y方向的M2因子分别是1.3和1.1，2h时间内平均功率的RMS为0.25%。

图3：（a）光谱（b）脉冲时域形状[1]升高Kr的气压至550mbar，此时输入脉冲功率为150W，能量为1.49mJ，脉宽为97fs。经MPC压缩后输出功率为144W，效率为96%。输出光谱由图3（a）所示，-20dB处带宽为536nm，实验采用4mm熔融石英压缩，可压缩至变换极限脉宽20fs（图3（b））。本文在充气MPC中首次实现了2μm处20fs的高平均功率脉冲压缩，获得了超过144W的平均功率和1.43mJ的脉冲能量。比已有MPC结果提高了近10倍的脉冲能量和3倍的平均功率，可为未来高次谐波等实验研究提供优质光源。参考文献：Lucas Eisenbach, Ziyao Wang, Jan Schulte, et al. Highly efficient nonlinear compression of mJ pulses at 2μm wavelength to 20 fs in a gas-filled multi-pass cell[J]. 2024 J.Phys.Photonics 6 035015

       原文标题 : 超快非线性光学技术之七十九 多通腔压缩mJ级2μm脉冲