伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的一组研究人员开发了一种新技术，可以结合不同波长的光纤激光器来产生超短激光脉冲。该研究发表在《光学快报》杂志上。

这项工作可以推动激光等离子体加速器(LPA)的发展，它有潜力推动高能物理的前沿，并促进材料科学、聚变研究和许多其他领域的发现。

LPA使用穿过等离子体的强超快激光脉冲来加速带电粒子，速度比当前技术快一千倍。他们承诺提供更紧凑、更强大的机器，其制造和操作成本比传统加速器更低。

目前，大多数LPA使用重复率仅为几赫兹(Hz)的激光脉冲;然而，要实现LPA的全部潜力，“需要高功率激光系统能够以kHz范围或更高的重复频率产生超短、高能激光脉冲”，领导这项新技术实验演示的ATAP贝拉中心研究科学家SiyunChen说道。

陈补充道，这些限制对产生此类脉冲的激光系统提出了非常苛刻的要求。因此，研究人员转向光纤激光器，她说光纤激光器是“迄今为止展示的最高效的高功率激光技术，并且还具有可以在我们的工作中利用的广泛的工业发展。”

虽然光纤激光器产生的脉冲的能量和功率可以通过组合空间(空间)和时间(时间)上的多个脉冲来放大，但这些脉冲目前仅限于大约一百飞秒(fs)，这还不足以驱动LPA。

(a)实验装置;(b)二向色镜1透射光谱;(c)二向色镜2透射光谱。图片来源：伯克利实验室

ATAPBELLA中心的研究科学家TongZhou解释说：“虽然光纤激光系统提供最高的电光转换效率(即电光功率效率)，但在这些系统中放大的超短激光脉冲的光谱会变窄。”

“当激光脉冲以这种方式放大时，增益变窄是一个基本效应;脉冲的光谱越窄，其持续时间越长。因此，高功率光纤激光器产生短于约一百飞秒的脉冲非常具有挑战性。”

然而，通过对在相邻波长范围内工作的多个激光脉冲进行光谱组合，该团队(其中还包括来自工程部门的QiangDu以及来自ATAP的DanWang和RussellWilcox)实现了超宽组合光谱，能够支持数十fs的非常短的脉冲。

为了增加带宽并产生数十fs长的脉冲，研究人员首先使用锁模振荡器和掺镱光纤放大器(YDFA)在100MHz重复率下生成120fs的脉冲。这些被发送到光子晶体光纤，其光谱从27纳米(nm)拓宽到90纳米。

然后，他们使用二向色镜来分离或组合激光脉冲，而不会造成明显的强度损失，从而对脉冲进行光谱分裂。然后将它们发送到两个脉冲整形器以整形相应脉冲光谱的强度和相位。当反射脉冲被发送到第一个整形器时，传输的脉冲由YDFA放大，由第二个整形器进行脉冲整形，并由另一个二向色镜进一步分裂。然后使用额外的二向色镜放大并重新组合来自光纤激光器的三个啁啾脉冲。

“这种超宽带光谱与合成脉冲整形相结合产生的脉冲持续时间仅为42fs，这明显短于三个光纤通道中每一个通道生成的脉冲，”Chen说。“我们相信这是光谱组合镱光纤激光系统有史以来实现的最短脉冲持续时间。”

Zhou指出，“虽然这项工作展示了迄今为止处于低能量的超快脉冲，但它展示了超宽带光谱组合和相干光谱合成脉冲整形的关键原理，并为使用光纤激光器驱动LPA提供了一条前进的道路。”

该团队计划添加更多放大级并实施能够在空间、时间和光谱上组合光纤激光器以产生高能、数十飞秒激光脉冲的多维技术。

ATAP部门主任CameronGeddes在评论这项工作时表示：“它展示了ATAP的研究人员如何推动先进粒子加速器的开发，这些加速器有望在基础科学研究中取得发现，并在聚变、医学、材料科学和许多其他领域取得突破。”

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标签：脉冲激光光谱