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。
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