不同單周期脈沖壓縮方案的關(guān)鍵指標(biāo)對比(左)，超連續(xù)白光光譜展寬(右上)，接近變換極限的單周期飛秒脈沖壓縮結(jié)果(右下)

單周期飛秒光源被譽為是產(chǎn)生孤立阿秒光脈沖的“理想”驅(qū)動源，但其產(chǎn)生與表征難度遠(yuǎn)高于少周期飛秒激光，是超快激光領(lǐng)域公認(rèn)的“硬骨頭”。長期以來，國際上眾多知名研究組采用各類“選通”技術(shù)，嘗試將少周期飛秒激光與物質(zhì)的有效作用時間進一步壓縮至單周期，從而有效避免了少周期激光驅(qū)動產(chǎn)生阿秒脈沖串，間接發(fā)揮了單周期飛秒光源能夠在一個光學(xué)周期內(nèi)最高效率實現(xiàn)孤立阿秒光脈沖產(chǎn)生這一天然優(yōu)勢。

目前，國際上僅有少數(shù)研究組報道過單周期飛秒光源的相關(guān)成果，但其綜合指標(biāo)(重復(fù)頻率 ～kHz、平均功率 ～W)與下一代高通量阿秒光源對驅(qū)動源的極端要求(重復(fù)頻率 ～100kHz、平均功率 10-100W)仍存在差距。在現(xiàn)有技術(shù)方案中，單周期飛秒光源為追求極致的脈沖寬度，往往需在重復(fù)頻率、平均功率、長期運行穩(wěn)定性及輸出效率等關(guān)鍵參數(shù)上做出大幅妥協(xié)，難以實現(xiàn)多項指標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化。因此，如何高效構(gòu)建兼具高重復(fù)頻率與高功率特性的單周期飛秒光源，已成為突破下一代高重頻、高通量阿秒光源技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的方少波等人在單周期飛秒激光產(chǎn)生與表征領(lǐng)域取得進展。他們在飛秒激光傳播過程中，引入弱電離穩(wěn)定機制的超連續(xù)譜，通過精準(zhǔn)調(diào)控氣體電離程度，有效抑制了等離子體不穩(wěn)定性及色散擾動，將超連續(xù)白光的光譜范圍拓展至350—1300nm。在重復(fù)頻率50kHz、平均功率13.5W條件下，他們成功地將脈沖寬度從近200fs壓縮至3.7fs(變換極限3.6 fs)，峰值功率從2.2GW提升至45.8GW，實現(xiàn)了高重頻、高功率、單周期脈沖壓縮目標(biāo)。

與以往單周期脈沖壓縮方案相比，該方案兼顧了高重復(fù)頻率、高平均功率、高峰值功率及高產(chǎn)生效率等多項關(guān)鍵指標(biāo)，實現(xiàn)了多指標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。該成果有望為研發(fā)高重頻、高通量阿秒光源提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，助力高重頻阿秒物理研究。相關(guān)成果以“Single-cycle pulse compression with over 20-fold peak power enhancement at an average power of 13.5W”為題發(fā)表于Optics Letters。

中國科學(xué)院物理所博士生劉宇哲為第一作者，方少波副研究員為通訊作者。該工作受到了中國科學(xué)院、北京市有關(guān)項目的支持。

審核編輯 黃宇