[论文解读] A Survey of Spatio-Temporal Couplings throughout High-Power Ultrashort Lasers

Jeandet, Antoine, Jolly, Spencer W.+20 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 44

一句话总结

本文首次系统性地调查了高功率超短脉冲激光在啁啾脉冲放大（CPA）系统多个阶段中的时空耦合（STC）效应。通过先进的全场诊断技术——TERMITES与INSIGHT，揭示了激光链路中多个位置复杂的STC效应，证明在整个系统中对STC进行表征对于优化性能和理解超快激光中的基本动力学至关重要。

ABSTRACT

The investigation of spatio-temporal couplings (STCs) of broadband light beams is becoming a key topic for the optimization as well as applications of ultrashort laser systems. This calls for accurate measurements of STCs. Yet, it is only recently that such complete spatio-temporal or spatio-spectral characterization has become possible, and it has so far mostly been implemented at the output of the laser systems, where experiments take place. In this survey, we present for the first time STC measurements at different stages of a collection of high-power ultrashort laser systems, all based on the chirped-pulse amplification (CPA) technique, but with very different output characteristics. This measurement campaign reveals spatio-temporal effects with various sources, and motivates the expanded use of STC characterization throughout CPA laser chains, as well as in a wider range of types of ultrafast laser systems. In this way knowledge will be gained not only about potential defects, but also about the fundamental dynamics and operating regimes of advanced ultrashort laser systems.

研究动机与目标

• 调查高功率超短脉冲激光中时空耦合（STC）效应，超越仅关注输出阶段的局限。
• 识别并表征CPA激光链路中不同阶段（包括展宽器后、放大器及压缩器之后）的STC来源。
• 证明在整个激光链路中实现完整三维时空场表征（振幅与相位）的可行性与必要性。
• 推动在先进超快激光系统（包括OPCPA、相干合成及未来拍瓦级系统）中更广泛采用STC计量技术。
• 为下一代超快激光中诊断与优化复杂STC效应提供基础数据集与方法论。

提出的方法

• 采用两种先进的全场诊断技术：TERMITES（时间分辨光谱干涉）与INSIGHT（空间分辨傅里叶变换光谱术）。
• 在光束传播轴线上多个截面处测量近场中的复振幅场 E(x, y, ω) 或 Ẽ(x, y, ω)。
• 利用迭代Gerchberg-Saxton型相位恢复算法，从多个轴向位置测得的光谱强度分布重建空间相位。
• 采用平面波分解法进行数值光束传播，将场反向传播至疑似STC源（如光栅、放大器）所在平面。
• 对六台不同高功率CPA激光器（峰值功率范围0.1 TW至1 PW）进行实验，工作重复频率各异。
• 将实验测量与基于矢量非傍轴傅里叶方法及自适应时间分段的分裂步算法的再生放大器数值模拟相结合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高功率超短脉冲CPA激光的各个阶段中，存在哪些类型的时空耦合（STC）？
• RQ2 STC如何在激光链路中演化——从展宽器、放大器到压缩器及最终输出？
• RQ3 诸如光栅、棱镜与增益介质等固有元件在STC形成中的贡献程度如何？
• RQ4 全三维时空谱表征（振幅与相位）能否揭示此前未被发现、影响光束质量与聚焦能力的STC效应？
• RQ5 在真实激光系统中，TERMITES与INSIGHT在分辨高空间频率STC特征方面表现如何比较？

主要发现

• 在所有六台高功率CPA激光器的多个阶段中均观测到STC效应，包括展宽器后、放大器中及输出端，表明STC普遍存在，不限于最终压缩阶段。
• Salle Noire激光系统在压缩后表现出显著STC，表现为与空间相关的光谱偏移与时间畸变，影响了少周期脉冲的生成。
• 在UHI–100系统中，由于压缩器残留相位畸变，输出光束中检测到STC，影响了粒子加速效率。
• TERMITES在分辨高空间频率STC特征方面优于INSIGHT，尤其在近场区域表现更优。
• 对测量场进行反向传播至疑似STC源（如光栅）的光学平面，证实STC的起源可追溯至特定组件。
• 本研究揭示，STC并非仅仅是缺陷，而是由于宽带光束调控在CPA系统中固有的物理现象，因此必须依赖全场诊断技术以实现性能优化。