超短超强脉冲激光从诞生以来就在基础科学、工业加工、医疗等方面有诸多应用，而且在这些领域应用及取得的成果很大程度上取决于光源的各个参数所能达到的极限。钛宝石激光器带宽较宽，可以获得宽度小于50fs脉冲，但平均功率低。掺Yb激光器的出现弥补了这一缺点，但掺Yb激光器光谱窄，产生的脉冲大多在百fs到ps量级，因此人们发展了多种脉冲压缩技术，其中新近出现的多通腔压缩方案，由于具有装置简单紧凑、可以处理高功率、大单脉冲能量、效率高等优点，这些年发展迅速。

(相关资料图)

图1 Herriott型多通腔实物图 ［1］

应用最广泛的多通腔结构采用由两块凹面镜加科尔介质组成的Herriott型多通腔（如图1所示）。这种多通腔通过凹面镜聚焦，让光在内部多次经过科尔介质从而获得较大的B积分实现光谱展宽。由于光是在内部多次往返，相比于空芯光纤等不用很长的系统，结构紧凑，且凹面镜的应用也使得光束有较好的光斑质量。利用多通腔压缩脉冲包括三个步骤（图2）：（1）模式匹配，通过透镜将光斑调整为合适的大小从而保证其在多通腔内部的传输时损耗较小；（2）光谱展宽，经凹面镜聚焦的光在腔内多次往返，通过自相位调制展宽光谱；（3）时域压缩，利用光栅或者啁啾镜来补偿光谱展宽时的啁啾，从而大幅度减小脉冲宽度。

图2 多通腔后置压缩的三个步骤：（1）模式匹配，（2）光谱展宽，（3）时域压缩 ［1］

图3总结了多通腔及其余脉冲后置压缩技术的成果。从图3（a）我们可以看到固态多通腔的脉冲压缩结果大部分处于几μJ到1mJ，而气体多通腔可以用于大于1mJ的单脉冲压缩，脉冲时间范围是从10fs到10ps。相较于（b）图可以看到（a）图整体红色更多，说明多通腔更多用于高平均功率、大单脉冲能量的压缩。（c）图更加直观的反应的这个特点，可以看到在同时满足高平均功率、高峰值功率时（图（c）双黄色重合区域）基本上都是多通腔成果。（d）图反应了压缩因子及压缩效率两个信息，可以看到多通腔的结果整体偏上偏右，说明多通腔有大压缩因子和高效率的特点。图3通过多项实际工作成果说明了多通腔技术压缩因子大、效率高、可用于高功率、大单脉冲能量压缩的优点。

图3 近红外脉冲后置压缩结果汇总 ［1］

在2016年，第一次多通腔技术的应用便取得了375w、170fs的结果，功率与当时可以处理功率最高（408w）的空芯光纤相近，但效率更高。随后出现了两级、三级固态多通腔装置，其中三级多通腔（装置如图4）获得了60W、16fs的结果。科研工作者将多通腔与多薄片技术组合起来，通过提高单次通过的B积分，从而获得了高达32的单级最大压缩因子。

图4 三级固态多通腔装置 ［2］

气体的损伤阈值更高，因此气体多通腔更加适合高功率的脉冲压缩。耶拿课题组利用气体多通腔在700mBar的氩气下实现了＞500W的气体多通腔压缩；也有课题组利用螺旋拉盖尔－高斯模能量更分散的特点将可压缩的单脉冲能量提高到了112mJ。耶拿课题组通过选择镀银反射镜（如图5）突破介质反射镜带宽的限制，并用硅基水冷来解决散热问题，最终采用两级气体多通腔压缩的方式成功得到了6．9fs的超短脉冲［3］。

图5 采用镀银反射镜的两级气体多通腔压缩装置 ［3］

回顾多通腔的发展历程，多通腔已经实现了单级压缩因子＞30，实现了对＞100mJ单脉冲能量、＞1kW平均功率的压缩，这些工作结果都证明了多通腔技术在脉冲后置压缩技术中占据的独特优势。未来多通腔技术的进一步发展一定会进一步提高光源的各个参数极限，为超快激光提供更多的实际应用。

参考文献：

［1］ Anne－Lise Viotti， Marcus Seidel， Esmerando Escoto， Supriya Rajhans， Wim P． Leemans， Ingmar Hartl， and Christoph M． Heyl， ＂Multi－pass cells for post－compression of ultrashort laser pulses，＂ Optica 9， 197－216 （2022）

［2］ Kilian Fritsch， Markus Poetzlberger， Vladimir Pervak， Jonathan Brons， and Oleg Pronin， ＂All－solid－state multipass spectral broadening to sub－20?fs，＂ Opt． Lett． 43， 4643－4646 （2018）

［3］ Michael Müller， Joachim Buldt， Henning Stark， Christian Grebing， and Jens Limpert， ＂Multipass cell for high－power few－cycle compression，＂ Opt． Lett． 46， 2678－2681 （2021）

原文标题 : 超快非线性光学技术之三十 多通腔技术在脉冲压缩中的应用