【资讯】ELI ALPS实现高重频光纤激光新突破

近年来，后压缩技术的发展为CPA系统实现少周期输出提供了新的技术方案。在该方案中，CPA之后需要依次经过三级后压缩以及气体高次谐波（high-harmonic Generation, HHG）光束线。由于这些过程均属于强非线性过程，任何初始波动都会被放大。因此，前端系统的高稳定性对实现稳定的HHG输出至关重要。在数百瓦平均功率产生的巨大热负载下，驱动激光器中微小的波动会被指数级放大，进而破坏脉冲压缩和CEP锁定的稳定性，热漂移、振幅-相位耦合和声学噪声等问题会迅速显现。因此，在实现亚两周期后压缩之前，构建一个极其稳定的CPA基础平台成为关键前提。

图1 HR2激光系统原理图。种子光由FLINT振荡器提供

       针对这一挑战，德国Active Fibers Systems GmbH与匈牙利ELI ALPS的合作团队联合开发了HR2（High Repetition Rate 2）高重频激光系统。该系统以一台超稳定的主放大器为核心，采用16通道相干合束的光纤架构，可输出100 kHz重频、平均功率超过1 kW、脉宽为270 fs的驱动激光，并保持优异的高斯光束品质。在后压缩方案选择上，相较于适用于中等功率的空芯光纤，多通腔（multi-pass cell, MPC）在高平均功率条件下展现出更好的热管理能力，因此研究团队采用了三级MPC架构。然而实现该设计仍面临挑战，尤其是在超短脉冲条件下，长达8米的MPC对残余像散和光束椭圆度极为敏感。

       研究团队通过系统优化，确定了最佳非线性工作区间、压缩因子及光束尺寸，并在高热负载条件下实现了全系统像散的有效补偿。在MPC内部，光束在凹面镜之间经历多次反射，在惰性气体中形成多个长焦焦点，从而实现由自相位调制（self-phase modulation, SPM）驱动的光谱剧烈展宽。系统需在SPM光谱展宽效率与非线性效应之间取得平衡，以避免过强自聚焦、气体电离及光束畸变。MPC架构使光谱展宽在光束横截面上分布更加均匀，优于近场体压缩方案，但其性能也受到银镜损伤阈值的限制，为了管理热负载，宽带MPC中的所有银镜均采用水冷设计；脉冲时域压缩则通过色散镜完成。在相位控制方面，研究团队构建了闭环反馈系统实现CEP锁定。使用一台立体阈上电离（Stereo-ATI）装置实时测量绝对CEP，并向相位稳定模块提供误差信号，从而实现数小时的绝对CEP锁定。除了高频噪声和声学噪声外，高热负载还会引入低频的大幅相位漂移，这对补偿机制提出了更高要求。此外，Stereo-ATI还具备脉冲标记功能，可在100 kHz重频下记录每发脉冲CEP信息，并具备扩展至MHz量级的潜力。

       项目负责人、ELI ALPS科学家Imre Seres强调了方案中的技术难点：“获得一个无时空耦合的高品质高斯光束输出并传输至20–30 m外气体HHG光束线，这对技术要求非常苛刻。在超高平均功率条件下精确确定非线性效应工作区间，并在所有MPC级中实现完全像散补偿的同时集成高效冷却系统，是一项巨大的挑战。通过严谨的优化，我们最终在系统末端实现了0.96斯特列尔比（Strehl ratio）和几乎为零的残余像散，证明了在超高平均功率条件下仍能够获得高度可控、近乎完美的光束分布”。

       本项研究是超快激光工程领域的一座里程碑，代表了少周期激光系统迄今最高的平均功率，并在实现CEP稳定性方面意义深远。实验表明，该MPC后压缩系统在100 kHz重频下可输出402 W平均功率，脉冲宽度压缩至6.2 fs，对应单脉冲能量达4 mJ，同时实现了426 mrad（root mean square, RMS）的绝对CEP稳定性。得益于系统的模块化结构，第一级MPC输出还可作为长脉冲模式工作，提供最高600 W、脉宽为35–50 fs的输出。该成果有效缓解了高平均功率激光系统中由热效应与非线性相位积累带来的稳定性问题，并为解决阿秒科学中复杂实验“事件率低”的瓶颈提供了重要技术支撑。通过提供CEP稳定的高平均功率输出，可有效提升极紫外光子通量，从而大幅缩短数据采集时间。

图3 CPA、MPC1、MPC2和MPC3后的光谱（标注了相应的测量脉冲持续时间）。线性刻度下的对应光谱以红色实线绘制（右侧y轴）

       研究团队后续工作将重点围绕将该HR2激光器集成到ELI ALPS的气体HHG光束线上展开。同时进一步优化靶结构设计与冷却方案以面对更极端的热负载。优化完成后，这条高通量极紫外光束线将为国际学界提供时间分辨泵浦-探测实验服务，以前所未有的精度研究超快电子动力学。多维阿秒光谱和符合动量成像等技术在低重复频率下易受空间电荷效应限制，而100 kHz重复频率将显著改善这一问题。未来，系统计划拓展至200 kHz重复频率，初期针对长脉冲模式，以进一步提升靶区的整体数据采集速度。

参考文献： 中国光学期刊网

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