基于Yb:KGW激光放大器的单周期脉冲合成技术获得突破

    超快光学与强场物理领域，对激光脉冲的时间分辨率、能量可控性及光谱覆盖范围的持续追求，是推动该领域理论创新与应用拓展的核心驱动力。长期以来，基于钛宝石（Ti:sapphire）晶体的激光器因可在电磁波谱可见光及邻近波段生成少周期、单周期乃至光学阿秒脉冲，始终在尖端光技术领域占据主导地位，为原子分子动力学研究、阿秒科学发展提供了关键实验工具。然而，随着研究对激光能量可扩展性、重复频率适应性需求的提升，掺镱KGW（Yb:KGW）激光技术逐渐显现出潜在优势——但如何将其脉冲压缩至单周期及亚周期量级，始终是制约该技术进一步应用的关键瓶颈。
    近日，德国罗斯托克大学EleftheriosGoulielmakis团队在《Optica》（2025年第12卷第3期）发表的研究成果，成功突破这一技术瓶颈。该团队通过创新设计的“双级空芯光纤光谱展宽+光场合成”协同方案，实现了基于Yb:KGW激光放大器的单周期脉冲输出，不仅填补了Yb:KGW激光在超短脉冲领域的技术空白，更为超快科学领域的光源升级与应用拓展提供了全新范式。

    一、Yb:KGW激光的技术定位：优势与核心挑战
    （一）技术优势：可扩展性与兼容性的双重突破
    相较于传统钛宝石激光器，Yb:KGW激光在过去十年的技术发展中，展现出两大核心竞争力：
    1.能量与重复频率的可扩展性：Yb:KGW激光系统可通过结构优化实现脉冲能量与重复频率的灵活调节，更易适配高功率强场实验场景，满足原子分子电离、等离子体调控等研究对激光能量的需求；
    2.波段兼容性：其输出脉冲的中心波长约为1030nm（近红外波段），与现有多数光学元件（如透镜、色散镜、光纤）的适配性更高，可降低实验系统的搭建复杂度与成本。
    （二）核心挑战：单周期压缩的技术壁垒
    尽管具备显著优势，Yb:KGW激光实现单周期脉冲仍面临两大关键障碍：
    1.初始脉冲持续时间较长：商用Yb:KGW激光系统输出脉冲的典型持续时间约为170飞秒（fs），远长于钛宝石激光器的短脉冲水平，需通过更高倍数的压缩方可达到单周期量级；
    2.红外波段非线性效应减弱：在Yb:KGW激光的红外载波频率下，气体介质的非线性响应显著降低，导致脉冲光谱展宽与时间压缩的效率受限。据测算，实现单周期脉冲所需的压缩因子约为70，远超此前基于非线性方法的技术能力范围。

    二、技术方案：双级空芯光纤展宽与光场合成的协同创新
    为突破上述瓶颈，Goulielmakis团队设计了“光谱超宽化脉冲精准合成”的两步技术路径，核心在于通过双级空芯光纤模块实现光谱极限拓展，再借助光场合成器完成超短脉冲的精准构建。
    （一）第一步：双级空芯光纤模块——实现3.5个光学倍频程的光谱覆盖
    实验以商用Yb:KGW激光系统（输出参数：脉冲持续时间170fs、单脉冲能量1mJ、重复频率6kHz）为光源，通过两级填充氖气的空芯光纤结构，逐步实现脉冲光谱的超宽化拓展：
    1.第一级：高压氖气环境下的初步压缩与光谱展宽
    激光脉冲经抗反射涂层熔融石英透镜（焦距f=75cm）耦合至空芯石英毛细管（内径250μm、长度0.55m），该毛细管置于压力为18巴（bar）的氖气填充腔室中。选择氖气作为非线性介质，基于团队此前研究（Optica,2024）中验证的优异非线性响应特性；同时，将聚焦透镜设置于腔室入口窗口附近（仅数厘米距离），以增大光束光斑尺寸、降低光强，从而抑制非目标非线性效应。
    脉冲经6片色散镜（4片HD120型、2片PC147型，UltraFastInnovations）反射压缩后，其时间持续时间缩短至20.5fs，激光功率达4.7W，能量转换效率高达83%，为后续光谱拓展提供了稳定的脉冲基础。
    2.第二级：低压氖气环境下的光谱极限突破
    经第一级处理的脉冲通过第二片熔融石英透镜（f=75cm）耦合至第二根规格相同的空芯光纤，腔室氖气压力调整为3.6bar——该压力参数可进一步抑制多余非线性干扰，推动光谱向更宽波段延伸。
    实验结果显示，脉冲光谱范围从短波红外波段（约1900nm）拓展至真空紫外波段（约170nm），覆盖3.5个光学倍频程（1个光学倍频程对应波长范围翻倍，3.5个倍频程意味着光谱跨度从近红外延伸至真空紫外）。同时，通过6小时连续监测，该超连续谱的平均功率稳定维持在3.47W，标准差仅0.038W，长期稳定性优于1.1%，且无需额外光束指向稳定装置即可实现，为后续脉冲合成提供了高可靠性光源。
    （二）第二步：光场合成器——构建2.14fs单周期脉冲
    超宽光谱是实现单周期脉冲的基础，而精准控制不同光谱成分的相位与时间同步，需依赖光场合成器完成：
    1.光谱通道划分与独立压缩
    团队选取3801000nm作为脉冲合成的核心带宽（兼顾光谱强度与相位可控性），通过宽带色散分束器将该波段划分为三个独立通道：
    紫外可见光通道（380500nm）：经薄石英楔（角度248°）色散微调后，脉冲持续时间压缩至7.1fs，对应载波波长458nm的4.6个光学周期；
    可见光通道（500700nm）：压缩后脉冲持续时间6.7fs，对应载波波长578nm的3.4个光学周期；
    近红外通道（7001000nm）：压缩后脉冲持续时间6.5fs，对应载波波长896nm的2.1个光学周期。
    2.相干叠加与脉冲表征
    采用同色阿秒技术（HomodyneAttosecondSpectroscopy,HAS）实现三通道脉冲的相干叠加：将合成脉冲通过双凹面镜组件（含同心镀银内镜与外镜）分为“泵浦脉冲”与“门脉冲”，二者聚焦于钨纳米尖端（尖端半径约35nm）；通过压电平移台控制两脉冲间的延迟（精度达阿秒级），利用飞行时间光谱仪（入口距钨纳米尖端约2mm）记录电子能量随延迟的变化，反推合成脉冲的电场与强度分布。
    实验结果表明，合成脉冲的半最大全宽（FWHM）为2.14fs，中心波长736nm（对应光学周期2.46fs），其强度分布半宽内包含0.87个光学周期，完全达到单周期脉冲标准；同时，合成脉冲能量超过120微焦（μJ），满足强场物理实验的能量需求。

    三、技术意义与应用展望
    该研究不仅实现了Yb:KGW激光的单周期脉冲输出，更在超快光学领域具有多重突破性意义：
    1.打破钛宝石激光器的技术垄断：此前，单周期、阿秒脉冲的生成高度依赖钛宝石激光系统，而本研究证明Yb:KGW激光在超短脉冲领域的应用潜力，其能量可扩展性与波段兼容性将推动超快光源向更高功率、更宽适用场景发展；
    2.拓展超快科学的研究边界：合成的单周期脉冲可与Yb:KGW激光自身输出的短波红外脉冲结合，形成多波段协同探测系统，为低带隙材料（如柔性电子材料）、关联体系（如高温超导体）的超快动力学研究提供新工具，同时支撑物质各相态下的强场实验（如分子解离、激光核聚变前驱研究）；
    3.指向阿秒脉冲的新路径：研究中实现的3.5个光学倍频程超连续谱，理论上可支持阿秒级脉冲（持续时间数百阿秒，1阿秒=10⁻¹⁸秒）的合成，为突破时间分辨率极限、探究原子内部电子运动规律提供了技术可能。
    未来，随着双级空芯光纤模块的结构优化（如更精准的压力控制、更长的光谱覆盖）与光场合成技术的相位调控精度提升，Yb:KGW激光有望成为超快科学领域的主流光源，推动强场物理、材料科学、量子调控等交叉学科的理论与应用创新。