[论文解读] Relativistic near-single-cycle optics at 1 kHz
该论文展示了一套1 kHz激光系统，通过在真空集成的拉伸柔性空心光纤压缩器中对亚25 fs的Ti:sapphire脉冲进行非线性压缩，实现了1.5周期、相对论强度的脉冲。该系统在能量、光谱、空间和载波包 envelope 相位（CEP）方面表现出卓越的稳定性，首次实现了在相对论强度下激光尾波场加速中载波包 envelope 相位依赖的电子能谱的实验观测。
We present a laser source delivering waveform-controlled 1.5-cycle pulses that can be focused to relativistic intensity at 1 kHz repetition rate. These pulses are generated by nonlinear compression of high-temporal-contrast sub-25\,fs pulses from a kHz Ti:Sapphire double-chirped pulse amplifier in a stretched flexible hollow fiber compressor scaled for high peak power. The unique capabilities of this source are demonstrated by observing carrier-envelope phase effects in laser-wakefield acceleration of relativistic electrons for the first time.
研究动机与目标
- 开发一种高重复频率、高脉冲峰值功率的激光源，能够在相对论强度下输出近单周期、CEP稳定的脉冲。
- 通过结合高时间对比度、高稳定性和超短脉冲宽度，实现在相对论激光-等离子体相互作用中的亚周期时间控制。
- 在kHz重复率下首次实现相对论条件下激光尾波场加速（LWFA）中载波包 envelope 相位（CEP）效应的观测，此前尚未实现。
- 展示利用CEP控制的少周期脉冲在稀疏等离子体中对电子注入和加速进行精密控制的可行性。
提出的方法
- 该系统采用基于Ti:sapphire技术的双啁啾脉冲放大器（CPA），在1 kHz重复频率下产生亚25 fs、高时间对比度的种子脉冲。
- 这些脉冲通过真空集成的拉伸柔性空心光纤压缩器进行压缩，实现接近单周期的脉冲宽度（719 nm波长下为1.5周期）。
- 空心光纤压缩器经过优化以实现高脉冲峰值功率，并在真空中运行，以最小化非线性相移并提高稳定性。
- 通过主动反馈控制维持载波包 envelope 相位（CEP）稳定性，实现对激光脉冲波形的精确控制。
- 该系统实现了高达1 TW的脉冲峰值功率和3.6 fs（719 nm中心波长下为1.5周期）的脉冲宽度。
- 通过将这些脉冲聚焦至相对论强度，开展激光尾波场加速实验，并测量电子能谱以探测CEP依赖的动力学行为。
实验结果
研究问题
- RQ1能否在1 kHz重复频率下生成CEP稳定、近单周期、相对论强度的激光脉冲？
- RQ2在相对论条件下，载波包 envelope 相位（CEP）是否显著影响激光尾波场加速中的电子注入和能谱？
- RQ3能否在能量、光谱、空间和CEP参数上同时实现所需稳定性，以实现相对论激光-等离子体相互作用中的亚周期控制？
- RQ4当脉冲宽度接近单周期极限时，CEP对LWFA中电子能谱分布的影响如何？
主要发现
- 该激光系统在1 kHz重复频率下输出1.5周期、3.6 fs的脉冲，峰值功率高达1 TW，时间对比度优异。
- 载波包 envelope 相位（CEP）稳定性在所有脉冲参数上均得以保持，实现了对激光波形的精确控制。
- 在电子能谱中观察到明显的CEP依赖调制：当CEP偏移π/2时，0.5 MeV的峰和0.65 MeV的尾部特征完全消失。
- 标准差分析显示，CEP效应远大于光谱波动，该分析基于500次脉冲的平均光谱。
- 等离子体中相位可分长度（L₂π ≈ 8 µm）表明，只有当电子注入发生在几微米范围内时，CEP效应才可被观测到，这要求对脉冲参数实现极高的稳定性。
- 本工作首次报告了在kHz重复率下利用近单周期脉冲实现相对论激光尾波场加速中CEP效应的实验观测。
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