光谱组合激光器可释放激光等离子体加速器的潜力
发布时间：2023-07-25 08:00:00 阅读数： 65
原文标题：Spectrally combining lasers could unleash the potential of laser-plasma accelerators
翻译：光电查
研究科学家 Tong Zhou（左）和 Siyun Chen 在 ATAP 的光纤激光实验室中研究多个光纤激光器的光谱组合。图片来源：Paul Mueller/伯克利实验室
伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）分部的一个研究小组开发出一种新技术，可将不同波长的光纤激光器组合在一起，产生超短激光脉冲。该研究成果发表在《光学快报》（Optics Express）杂志上。
这项工作可以推动激光等离子体加速器（LPAs）的发展，LPAs 有可能推动高能物理的前沿发展，促进材料科学、核聚变研究和许多其他领域的发现。
等离子体加速器利用穿过等离子体的强烈、超快激光脉冲来加速带电粒子，其速度比现有技术快一千倍。与传统加速器相比，它们的结构更紧凑，功能更强大，建造和运行成本更低。
目前，大多数 LPA 使用的激光脉冲重复率仅为几赫兹（Hz）；然而，要充分发挥 LPA 的潜力，"将需要能够产生重复率在千赫兹或更高的超短、高能激光脉冲的大功率激光系统"，领导这项新技术实验演示的 ATAP BELLA 中心研究科学家陈思云说。
陈补充说，这些限制对产生这种脉冲的激光系统提出了非常苛刻的要求。因此，研究人员将目光转向了光纤激光器，她说，光纤激光器是 "迄今为止已证明的最高效的高功率激光技术，而且在我们的工作中还可以利用其广泛的工业发展"。
虽然光纤激光器产生的脉冲能量和功率可以通过在空间（空间上）和时间（时间上）上组合多个脉冲来放大，但这些脉冲目前仅限于约一百飞秒（fs），不够短，无法驱动LPA。
(a) 实验装置；(b) 分色镜 1 的透射光谱；(c) 分色镜 2 的透射光谱。资料来源：伯克利实验室
"虽然光纤激光系统具有最高的壁插效率--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却变窄了，"领导这项新技术开发的 ATAP BELLA 中心研究科学家周彤解释说。
"这种增益变窄是以这种方式放大激光脉冲时产生的基本效应；脉冲光谱越窄，持续时间就越长。因此，高功率光纤激光器要产生短于约 100 fs 的脉冲是非常具有挑战性的。
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，研究小组（包括工程部的杜强、ATAP的王丹和Russell Wilcox）实现了超宽组合光谱，能够支持数十fs的超短脉冲。
为了增加带宽并产生数十 fs 长的脉冲，研究人员首先使用了一个锁模振荡器和掺镱光纤放大器（YDFA），以 100 MHz 的重复频率产生 120 fs 的脉冲。这些脉冲被送入光子晶体光纤，其光谱从 27 纳米（nm）扩大到 90 纳米。
然后，他们使用二向色镜对脉冲进行光谱分割，二向色镜允许激光脉冲在没有明显强度损失的情况下被分离或组合。然后，这些脉冲被送到两个脉冲整形器，以调整各自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，传输脉冲被 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割。然后，光纤激光器发出的三个啁啾脉冲被放大，并通过附加的二向色镜重新组合。
压缩后测量到的自相关轨迹（组合脉冲和来自每个通道的脉冲），以及计算出的组合光谱的变换限制脉冲的自相关轨迹。资料来源：伯克利实验室
"陈说："这种采用合成脉冲整形的超宽带光谱组合产生的脉冲持续时间只有 42 fs，明显短于三个光纤通道各自产生的脉冲。"我们相信，这是迄今为止光谱组合镱光纤激光系统实现的最短脉冲持续时间。"
周指出："虽然这项工作展示了迄今为止能量较低的超快脉冲，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 提供了前进的道路。"
该团队计划增加更多的放大级，并实施能够在空间、时间和光谱上组合光纤激光器的多维技术，以产生高能量、数十fs的激光脉冲。
ATAP 部门主任 Cameron Geddes 在评论这项工作时说："这表明 ATAP 的研究人员正在如何推动先进粒子加速器的发展，从而有望在基础科学研究方面取得发现，并在核聚变、医学、材料科学和许多其他领域取得突破。
力学的基本测试，这些世界上最高效率的空腔将帮助我们发现新物理学的蛛丝马迹。
参考资料
Siyun Chen et al, Broadband spectral combining of three pulse-shaped fiber amplifiers with 42fs compressed pulse duration, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.486884
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