超快非线性光学技术之二十二空芯光纤非线性压缩70 mJ脉冲

2022-02-11 10:53

高重频、高功率、高脉冲能量的飞秒激光在激光尾场加速、太赫兹脉冲产生、高次谐波产生、非线性X射线光学、单发全息摄影等领域具有很高的价值。近来，光纤相干合束、薄片放大等技术的发展将单脉冲能量提升到了百毫焦量级，但脉冲脉宽一般在200飞秒以上，需要进行非线性压缩。

图1展示了近几年对毫焦量级脉冲进行非线性压缩的结果，不同颜色代表不同光源：蓝色为钛宝石激光器，绿色为掺镱激光器，红色为光参量放大；不同形状代表不同的压缩手段，大小代表峰值功率。图中还标注了实验作者、发表时间和峰值功率，目标是获得更高的脉冲能量和峰值功率以及更大的脉冲压缩比例。

图1：毫焦量级脉冲进行非线性压缩结果

脉冲压缩需要克服电离、器件损坏和装置体积过大的问题，奥地利维也纳大学Baltu?ka教授课题组使用大芯径空芯光纤将70 mJ、230 fs的脉冲压缩至40 mJ、25 fs，峰值功率高达1．36 TW［1］。

图2：脉冲压缩实验装置图

实验装置如图2所示，掺镱啁啾脉冲再生放大前端产生12mJ的脉冲，在多通放大器中放大为100mJ脉冲，脉冲宽度为230 fs。该脉冲通过扩束避免光束在空气中自聚焦后，耦合到3米长的空芯光纤中。空芯光纤中气体种类可在氩、氖、氦和真空之间更换，脉冲先在光纤中进行光谱展宽，然后经啁啾镜压缩，最后输出到倍频FROG仪器和光谱仪中进行测量。

图3：不同气体时输入脉冲能量和输入脉冲能量间的关系

电离和自聚焦将导致时域压缩质量降低，输出脉冲变得不稳定。图3（a）展示了充不同气体时输出脉冲能量和输入脉冲能量间的关系，能量传输效率在真空时稳定在69％左右。从图中可看出氩和氖在能量较高时出现明显的电离，导致能量损耗提高，同时影响压缩效果，氦的电离阈值较高，是理想的压缩材料。

图4：（a）在70 mJ，充氖的情况下输出光谱与气压的关系，（b）光谱对应的变换极限脉宽与气压的关系

图4（a）展示了在输入脉冲能量为70 mJ时，输出光谱与氖气气压的关系，图4（b）为光谱对应的变换极限脉宽与气压的关系。当氖气气压超过2200 mbar时，自聚焦开始出现，光谱产生畸变，影响压缩后脉冲质量。因此，实验中气压保持在能够充分展宽光谱同时不引发自聚焦的范围内，即红色标注的区域。

图5：压缩脉冲结果

图5（a）展示了充2100 mbar氖气时光纤输出脉冲的FROG图像，图5（b）根据图5（a）重建而来。图5（c）展示了此时脉冲的光谱和相位，其中绿线代表光谱仪所得结果，蓝线从FROG图像中获取，红线为利用非线性薛定谔方程和ADK模型，在不考虑自聚焦的情况下所得光谱，灰色区域为输入光谱。实验中啁啾镜对提供了－750 fs2的群延时色散，图5（d）为压缩后的脉冲，绿色代表由光谱仪所得光谱对应的变换极限脉冲，蓝线代表FROG测得脉冲，红线为模拟压缩得到的最短脉冲，对应色散量为－738 fs2，与－750 fs2很接近，灰线为输入脉冲，模拟与实验对应得较好，说明自聚焦之外的因素影响不大。

总之，该文章研究了基于空芯光纤的非线性脉冲传播和压缩与高能掺 Yb 激光技术相结合的能量缩放规则。文章中使用纤芯直径1 mm、3米长的空芯光纤，将高能掺Yb 激光放大器出射的70 mJ、230 fs的脉冲压缩至40 mJ、25 fs，峰值功率达到1．36 TW，同时还通过模拟展示了压缩百毫焦脉冲的可能性。

参考文献：

［1］G． Fan， P． A． Carpeggiani， Z． Tao， G． Coccia， R． Safaei， E． Kaksis， A． Pugzlys， F． Légaré， B． E． Schmidt， and A． Baltu?ka，＂70 mJ nonlinear compression and scaling route for an Yb amplifier using large－core hollow fibers，＂ Opt． Lett． 46， 896－899 （2021）．

原文标题 : 超快非线性光学技术之二十二空芯光纤非线性压缩70 mJ脉冲