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上海光机所在高功率少周期超快激光研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在高功率少周期超快激光研究方面取得进展，相关成果以“Few-cycle nonlinear pulse compression in a dispersion-engineered folded multi-pass cell”为题发表于Optics Letters。

高功率少周期超快激光是驱动高次谐波产生、实现孤立阿秒脉冲输出以及激发极紫外与X射线辐射的核心光源，在超快科学、精密测量及先进成像等前沿领域具有重要应用前景。为提升信噪比与光子通量，驱动光源需同时具备少周期脉宽和高平均功率的特性。尽管高功率掺Yb激光器可实现数百瓦量级的平均功率输出，但其增益带宽有限，输出脉宽通常处于数百飞秒至皮秒量级，难以直接满足少周期需求。基于自相位调制（SPM）的非线性脉冲压缩技术，特别是多通腔（MPC）方案，因其高传输效率、优异光束质量及良好的能量扩展能力，成为突破脉宽限制的关键手段。然而，当光谱展宽足以支持转换极限脉宽低于30飞秒时，色散效应会迅速导致脉冲展宽与峰值功率下降，进而抑制光谱进一步拓宽，产生饱和效应，使少周期量级的非线性脉冲压缩难以实现。

针对这一难题，本研究提出并演示了一种基于色散工程折叠MPC（dispersion-engineered folded MPC）的非线性脉冲压缩装置。该装置通过附加平面镜的多次反射实现光路折叠，结构紧凑，占地面积仅为0.55 m × 0.15 m。尤为重要的是，团队将其中一面平面镜替换为市售啁啾镜，其规格依据三维仿真模型精确选取，从而在不依赖高度定制器件的条件下，实现了精准的色散管理。在该折叠MPC中，非线性传输过程中色散对脉冲演化的影响被基本消除，脉宽保持稳定，SPM主导的光谱展宽得以持续进行，有效克服了饱和效应，为少周期脉冲压缩奠定了基础。色散工程折叠MPC装置和等效光路如下图所示。

图1 色散工程折叠MPC装置（a）和等效光路（b）示意图

经色散工程折叠MPC展宽光谱后，仅通过单片啁啾镜的补偿，输出脉宽便由47飞秒压缩至10.7飞秒，压缩比达4.4倍，传输效率超过90%，且光束质量保持优异（M²≈1.3）。为进一步揭示色散工程在非线性过程中的作用，研究团队还将其中的啁啾镜替换为普通超快平面反射镜，并对比了不同往返次数下有无色散工程的实验与仿真结果，如图2所示。数值模拟基于分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程（NLSE），实验与仿真在光谱展宽及脉冲演化方面均高度吻合，验证了该模型在设计色散工程MPC中的可靠性。对比显示，在无色散工程的MPC中，后半程的光谱展宽明显趋于饱和，傅里叶变换极限（FTL）脉宽也基本不再变化；而引入色散工程后，光谱持续大幅展宽，FTL脉宽随往返次数增加不断缩短，最终达到少周期量级。两者差异根源于脉冲演化过程：无色散管理时，脉冲迅速拉伸至200飞秒以上，严重削弱SPM效率；而在色散工程设计中，脉冲传播保持稳定，SPM效应持续有效，从而突破了饱和限制。该色散工程折叠MPC在能量拓展方面同样具备结构优势，未来有望成为高功率少周期超快激光光源的重要技术路径，推动阿秒科学和极紫外光源等领域的进一步发展。

图2 色散工程折叠MPC中不同通数下光谱展宽和脉冲演化的实验与仿真结果

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