[论文解读] Single-stage few-cycle nonlinear compression of milliJoule energy Ti:Sa femtosecond pulses in a multipass cell

Louis Daniault, Zhao Cheng+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 12被引用 23

一句话总结

本研究通过填充氩气的多通路谐振腔，实现了对1.2 mJ、30 fs的Ti:Sa脉冲进行单阶段非线性压缩，获得5.3 fs（两个光周期）的脉冲。通过优化气压（450 mbar）和16次通过，系统实现了67%的整体效率，同时保持近似高斯光束质量与超过99%的光谱均匀性，克服了自陡峭和色散引起的脉冲展宽等限制。

ABSTRACT

We report on the nonlinear temporal compression of mJ energy pulses from a Ti:Sa chirped pulse amplifier system in a multipass cell filled with argon. The pulses are compressed from 30 fs down to 5.3 fs, corresponding to two optical cycles. The post-compressed beam exhibits excellent spatial quality and homogeneity. These results pave the way to robust and energy-scalable compression of Ti:Sa pulses down to the few-cycle regime.

研究动机与目标

• 通过多通路谐振腔实现高能Ti:Sa飞秒脉冲的鲁棒、单阶段少周期压缩。
• 识别并克服限制多通路配置中脉冲可压缩性的主要因素——自陡峭和气体色散。
• 优化气压与通过次数，以最大化光谱展宽，同时保持脉冲可压缩性与光束质量。
• 展示高效、高质量的少周期脉冲生成，适用于超快科学中的可扩展应用。

提出的方法

• 采用Ti:Sa啁啾脉冲放大系统，输出1 kHz重复频率、30 fs、1.2 mJ脉冲。
• 通过21 cm长空芯光纤（250 µm直径）进行空间滤波，获得能量为1 mJ、衍射受限的清洁光束。
• 采用多通路谐振腔（MPC），由两面曲率半径为1.5 m的反射镜构成，可实现最多18次通过，同时将光束尺寸保持在约250 µm以避免镜面损伤。
• 在MPC中填充氩气，气压可调（0–700 mbar），以控制自相位调制（SPM）与色散效应。
• 使用Dazzler对群速度色散进行预补偿，确保进入MPC的脉冲为傅里叶变换受限。
• 通过啁啾镜与熔融石英楔片进行后压缩，并结合单次测量的SHG-FROG与成像光谱仪，完成脉冲的完整表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多通路谐振腔中，压缩毫焦级、30 fs的Ti:Sa脉冲至少周期区域时，最优气压与通过次数为何？
• RQ2 自陡峭与气体色散如何限制多通路非线性压缩中的光谱展宽与脉冲可压缩性？
• RQ3 单阶段多通路压缩能否实现亚10 fs脉冲，同时具备高效率与优异光束质量？
• RQ4 多通路谐振腔在Ti:Sa脉冲压缩中的固有局限性是什么？如何通过优化实现单周期脉冲生成？

主要发现

• 系统将30 fs、1.2 mJ的Ti:Sa脉冲压缩至5.3 fs（FWHM），对应两个光周期，压缩比达5.7。
• 整体后压缩效率达到67%，其中多通路谐振腔本身透射率达79%。
• 在光束FWHM处光谱均匀性超过99%，在1/e²强度处两个横向方向均达95%，表明光束质量优异。
• 最优配置为450 mbar氩气压与16次通过，平衡了光谱展宽与脉冲可压缩性。
• 首次通过时B积分值过大（≥0.02）引发强烈自陡峭，导致光学激波与脉冲畸变，限制进一步压缩。
• 气压高于150 mbar时，气体色散降低每通过的有效B积分，恶化脉冲可压缩性，从而设定了气压与通过次数的实际上限。