高能量、窄脉宽、高峰值功率的超快激光在激光等离子体加速器、阿秒科学、THz和X射线光源等领域中有广泛应用。为了产生宽度小于 100 fs、甚至短到少光学周期量级的飞秒脉冲，往往需要采用脉冲压缩技术，其主要可分为光谱展宽和色散补偿两部分。基于多通腔(MPC)的后压缩方法具有能量转换效率高、输出光束质量好、能量可扩展性高、结构紧凑等优点。自2016年MPC首次展示可用于脉冲后压缩以来，其脉冲能量覆盖范围从3 µJ 提升到200 mJ，峰值功率覆盖范围从4 MW提升到100 GW。本文探讨了一种新的凹凸(convex-concave, vex-cav) MPC，旨在通过实验验证这种凹凸MPC在光谱展宽和脉冲压缩中是否可与传统双凹MPC相媲美[1]。如图1所示，与传统的双凹（cav-cav）结构不同，凹凸（vex-cav）MPC在理论上具有大模式体积的特点。此外，凹凸MPC结构中没有焦点，从而降低了峰值强度并避免了气体电离问题。这种腔体还可以多次折叠，减少整体装置体积，便于实际应用。
图1 凹凸MPC和双凹MPC的结构示意图[1]本文通过对比性实验，比较了凹凸和双凹MPC在光谱展宽和脉冲压缩中的表现。图2中的实验结果表明，凹凸MPC成功将15 µJ、260 fs的输入脉冲光谱展宽至990 nm-1070 nm波段，并将脉冲压缩至53 fs (FTL=49 fs)，传输效率为91%，压缩因子为5。
图2 采用凹凸MPC下的光谱展宽和脉冲压缩表征[1]图3展示了经过凹凸MPC后的空间光谱V参数，分别为Vxavg = 99% 和 Vyavg = 98%，表明经过凹凸MPC后展宽的光谱具有极好的光谱均匀性，与传统的双凹MPC相当。更重要的是，前者的腔长仅为后者的1/3左右，极大地提高了装置的紧凑性。
图3 采用凹凸MPC下的空间光谱均匀性表征[1]进一步地，在200 µJ能量条件下，该课题组分别利用固体（1 mm熔融石英）和气体（7 bar氩气）作为非线性介质，通过该腔体将脉宽从260 fs压缩至56 fs和54 fs，两种情况下的空间光谱均匀性都大于90% （双轴），总传输效率大于93%，实验结果如图4所示。上述结果证明了该腔体支持能量的大幅度扩展，支持十微焦量级到百微焦量级的光谱展宽和脉冲压缩。
图4 基于凹凸MPC腔体，在200 μJ下的光谱展宽和脉冲压缩表征[1]为了探究凹凸MPC压缩脉冲的能量极限，该课题组的理论仿真表明，该MPC可支持将能量为40 mJ的1.3 ps脉冲压缩至76 fs，压缩因子为17；同时，通过折叠腔体，相应的凹凸MPC可实现更为紧凑性的设计，如图5 所示。
图5 折叠型的凹凸MPC腔体[1]本文通过实验和数值模拟证明了凹凸MPC在超快激光脉冲光谱展宽中的有效性。这种新的配置不仅解决了传统双凹MPC中的电离问题，还具有更大的模式体积和更高的紧凑性，为未来高能量、超快激光系统的应用提供了新的可能性。
参考文献：
V. Hariton, K. Fritsch, K. Schwarz, N. Kovalenko, G. Figueira, G. Arisholm, and O. Pronin, "Spectral broadening in convex-concave multipass cells," Opt. Express 31(12), 19554-19568 (2023).
原文标题 : 超快非线性光学技术之五十七 基于凹凸多通腔体的光谱展宽与脉冲压缩
