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

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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

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