分脈沖(divided pulse)與光學(xué)放大相結(jié)合產(chǎn)生了分脈沖放大(Divided pulse amplification, DPA)技術(shù)。近年來,很多課題組又將分脈沖應(yīng)用于各種非線性脈沖壓縮方案,發(fā)展了分脈沖非線性壓縮技術(shù),用來提升脈沖能量。
本期介紹的第一個工作首次將分脈沖與多通腔壓縮相結(jié)合。多通腔壓縮具有很多優(yōu)點,比如較高的透過率以及可以對千瓦、毫焦脈沖進行安全可靠的非線性壓縮等,然而它也受到腔鏡光學(xué)損傷閾值和氣體電離的限制。為了克服這些限制,德國耶拿Limpert課題組將分脈沖技術(shù)用于多通腔壓縮實驗中[1]。實驗裝置如圖1所示,前端是16路基于啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的光纖激光器,合成后光束直徑是8mm,并通過兩級CPA壓縮,可以輸出平均功率200W、脈沖能量4mJ、脈沖寬度175fs的激光。輸出激光經(jīng)過兩塊BBO晶體分成四個脈沖后進入多通腔中展寬光譜,之后經(jīng)過BBO晶體實現(xiàn)脈沖合成,最后使用多片啁啾鏡壓縮合成后的脈沖。
圖1:分脈沖多通腔非線性壓縮實驗裝置圖[1]
多通腔內(nèi)部充350mbar氬氣,光束通過26次,整個系統(tǒng)緊湊且完全被動穩(wěn)定,整體輸出效率84%,最終輸出功率為169 W。壓縮前后光譜如圖2左圖所示,壓縮后光譜的20dB 帶寬時約120nm。由于時域脈沖合成時存在寄生脈沖或者不完美合成導(dǎo)致光譜存在調(diào)制。圖2右圖中的脈沖接近脈沖變換極限寬度32fs,在800 fs處可以看到可以忽略不計的小脈沖,而在1600 fs處根本看不到任何小脈沖,表明具有很好的脈沖時域?qū)Ρ榷扰c合成效果。
圖2:壓縮前后光譜(左圖)與自相關(guān)曲線(右圖)[1]
本期介紹的第二個工作則是將分脈沖與空芯光纖壓縮相結(jié)合,壓縮高能量脈沖。利用充有惰性氣體的空芯光纖壓縮脈沖,要避免自聚焦效應(yīng)以及氣體電離,可采用的方案包括改變脈沖偏振態(tài)為圓偏振、引入氣壓梯度、利用空芯光纖的高階模式等,但這些方法依然不能將可壓縮的脈沖能量提升到氣體電離閾值之上。G. W. Jenkins等人利用分脈沖提升可壓縮的脈沖能量,實驗裝置如圖3所示,他們利用方解石、半波片和偏振器對脈沖進行分脈沖與合成,利用充有Xe氣的空芯光纖作為光譜展寬介質(zhì),再利用啁啾鏡壓縮合成后的單脈沖。
圖3:空芯光纖分脈沖壓縮裝置圖[2]
圖4為實驗中展寬后的光譜,具有由自相位調(diào)制效應(yīng)展寬的典型旁瓣結(jié)構(gòu),其中調(diào)制條紋間距為 0.5 nm,與方解石引入的 7.2 ps 延遲相匹配。最后使用啁啾鏡引入–18000fs2的色散,將脈沖壓縮為 89 fs,峰值功率為變換極限脈沖峰值功率的91%,該脈沖具有5.0mJ的能量。
圖4:壓縮后光譜與脈沖曲線[2]
總之,德國耶拿課題組首次成功地將分脈沖應(yīng)用到多通腔非線性脈沖壓縮方案中,使用四個脈沖進行光譜展寬,將現(xiàn)有多通腔壓縮的總輸出脈沖能量提升至 3.4 mJ,平均功率為 169 W。G. W. Jenkins等人使用分脈沖來克服空芯光纖壓縮中的電離限制,對于單個脈沖,電離將輸出脈沖能量限制為2.7 mJ。通過將脈沖分成四個低能量脈沖,該課題組獲得了5.0 mJ的壓縮脈沖。
參考文獻:
[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.
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