基于多通腔的千瓦、十毫焦级超短脉冲产生

高平均功率高脉冲能量、短脉宽超快激光是强场物理、高次谐波产生、精密微纳加工及高通量泵浦-探测实验的重要驱动光源。传统钛宝石激光系统能够提供亚 50 fs 脉冲，但其平均功率提升和工程化运行通常受热管理、泵浦效率、系统复杂度及维护成本等因素制约。相比之下，掺镱激光器具有高电光效率、高平均功率和长期稳定运行等优势，但受增益带宽限制，直接输出脉冲宽度通常处于数百飞秒量级，峰值功率仍难以充分满足强场应用需求。因此，如何在保持高能量、高平均功率和系统稳定性的同时，将工业级亚皮秒脉冲进一步压缩至几十飞秒，是发展高通量强场光源和先进制造光源的关键问题。本文即围绕这一需求，验证非线性后压缩技术能否由低功率实验演示拓展至 1 kW、10 mJ 级工业参数区间[1]。

实验装置如图 1 所示，主要包括掺镱激光前端、输入光路、光谱展宽模块、输出光路和色散补偿模块。作者采用商业化 TruMicro 9010 超短脉冲激光系统作为驱动源，输入脉冲参数为 10 mJ、100 kHz、1 kW 和 871 fs。实验方案的核心是将高能量亚皮秒脉冲耦合进入气体多通腔，通过多次往返传播在较长等效非线性长度内积累自相位调制，从而获得可控的光谱展宽。展宽后的脉冲经啁啾镜压缩器补偿色散，实现接近变换极限的脉冲压缩。为满足 kW 级平均功率下的稳定运行需求，系统还引入主动光束指向稳定、温度稳定和自动控制流程，以抑制热漂移、耦合波动及长期运行中的参数偏移。图1 实验装置图 [1]

实验结果表明，该系统可将 871 fs 输入脉冲压缩至 32.5 fs，压缩因子约为 27；输出脉冲能量保持在9 mJ量级，平均功率接近1 kW，整体传输效率超过90%，光束质量因子 M2 优于1.45。这说明在强非线性展宽之后，系统仍能够保持较好的空间模式和转换效率，证明多通腔后压缩方案可在工业级高功率条件下稳定工作。作者还分析了输出光谱的不对称性，认为其来源于自相位调制与驱动激光残余高阶色散的共同作用。该过程会导致脉冲不同时间位置产生不完全对称的瞬时频率偏移，因此展宽光谱并非仅由理想 Kerr 相位调制决定，而是同时受到输入脉冲相位、色散的共同影响。图2 气体多通腔的脉冲输出结果 [1]

此外，文中特别强调稳定性分析，这是因为 1 kW 级后压缩系统的关键难点并非获得单次短脉冲，而是实现高功率条件下的长期稳定输出。在高功率运行过程中，光学元件和气体环境中的微小热效应会改变光束指向、模式匹配，进而影响光谱展宽效率和压缩质量。因此，光束指向稳定、温度控制和集成诊断装置是工业级非线性后压缩系统实现可靠运行的核心条件。通过对输出功率、光束质量和压缩脉宽的综合表征，作者证明该系统在高功率运行下仍具有较好的可重复性和工程鲁棒性。图3 空间光谱均匀性表征结果 [1]

综上，该研究将非线性脉冲后压缩推进至 1 kW 平均功率和 10 mJ 单脉冲能量水平，证明高效率多通腔展宽与啁啾镜压缩相结合，可以同时兼顾短脉宽、高能量、高传输效率和良好光束质量。需要指出的是，该方案仍依赖复杂的工业级前端、精密多通腔调节和主动反馈控制，系统成本和调试门槛较高。后续研究可进一步围绕自动化优化、长期稳定运行、更高重复频率以及与强场物理、精密加工等具体应用场景开展。

参考文献：[1] Ertel, Dominik, et al. "Industrial-grade nonlinear pulse compression of 1kW and 10mJ ultrashort laser pulses." doi:10.1364/opticaopen.32034420

       原文标题 : 超快非线性光学技术之一百 基于多通腔的千瓦、十毫焦级超短脉冲产生