用于激光脉冲压缩的超快非线性光学技术

在过去的 50 年里，对更短激光脉冲的追求一直是推动超快科学发展的动力，激光脉冲压缩技术现在已经能够产生个位数飞秒甚至阿秒脉冲持续时间。超快非线性光学在这些进步中起着举足轻重的作用，它使我们能够操纵和测量这些超短脉冲，为我们了解超快现象开辟了新的前沿。

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激光脉冲压缩： 概述
激光脉冲压缩的原理是延迟脉冲频谱中的特定频率成分，以实现整体的时间再压缩。

激光脉冲压缩可通过线性和非线性方法实现。线性激光脉冲压缩依靠棱镜或光栅等色散元件充当单个频率成分的时间延迟线，便于控制脉冲持续时间。

非线性激光脉冲压缩则是将脉冲通过非线性介质来拓宽频谱，通常是通过自相位调制。然后，利用线性激光脉冲压缩技术对经过啁啾、频谱拓宽的脉冲进行时间压缩。

为什么激光脉冲越短越好？
超短脉冲能提高峰值强度和时间分辨率，因此人们追求更短的脉冲持续时间。在给定脉冲能量的情况下，压缩脉冲时间可使峰值功率呈指数增长。对这些高峰值功率脉冲进行聚焦可增强非线性光学效应，这种效应与强度成比例，其功率大于 1。

例如，双光子荧光（TPEF）和二次谐波发生（SHG）与强度呈二次关系。因此，将脉冲持续时间缩短 10 倍，可使 TPEF 发射增加 100 倍。这使得非线性显微镜的成像深度和对比度更高。

除了显微镜之外，分子、半导体和化学反应中的超快现象通常发生在飞秒时间尺度上，这就要求脉冲持续时间短于感兴趣的时间尺度。因此，人们不断需要更短的脉冲来解析更快的过程。

用于激光脉冲压缩的超快非线性方法
超快非线性光学处理极短的激光脉冲，通常在飞秒（10-15 秒）或阿秒（10-18 秒）范围内，由锁相激光器产生。研究人员可以利用非线性光学效应进一步压缩和增强这些脉冲，从而达到显著的强度和短度。

超快非线性激光脉冲压缩可通过多种方法实现，其中一种常见的方法是使用空芯光纤（HCF）。HCF 是一种光纤，其特点是中央空心，外层包裹着薄包层，包层通常由具有高非线性折射率的材料制成，如二氧化硅或蓝宝石。

当激光脉冲通过 HCF 时，会与包层发生相互作用，从而导致自相位调制（SPM），使脉冲的光谱变宽。随后，可借助色散元件对扩大的光谱进行再压缩。

另一种超快非线性激光脉冲压缩策略涉及多通道单元，这种装置的设计目的是让激光脉冲在非线性材料中反复来回反弹。这种延长光与材料之间相互作用路径的方法提高了 SPM 的效率。

多通道电池在压缩高能激光脉冲方面尤其具有优势，因为它们已经证明能够将激光脉冲压缩到飞秒持续时间，能量超过 100 焦耳。

非线性超快激光脉冲压缩的最新研究与发展
简单而经济有效的孤子驱动超快激光脉冲压缩和超连续生成
基于掺镱的超快激光器因其热效率高、价格低廉以及可灵活调节重复率和脉冲能量而广受欢迎。然而，它们的脉冲持续时间通常不短于 100 fs，在某些应用中需要外部激光脉冲压缩。现有的激光脉冲压缩和超连续产生（SCG）技术通常效率低下且复杂，限制了其广泛应用。

发表在《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一项研究提出了一种经济高效的 SCG 和激光脉冲压缩解决方案。他们证明，强超快激光脉冲在周期性层状克尔介质（PLKM）中传播时会形成光学孤子。这种孤子的形成源于线性衍射和非线性克尔自聚焦之间的平衡，从而提高了 SCG 效率，并支持长距离非线性光-物质相互作用。

在这些孤子中限制光束传播可实现空间光谱均匀性和高空间质量，压缩效率超过 85%。这些压缩脉冲驱动高次谐波产生，从气体目标产生相干的极紫外光和软 X 射线光。

这种方法的优点包括简单、成本效益高（无需真空系统或复杂的稳定装置）、可灵活使用各种激光能量和功率、效率高（高达 85%）和稳定。即使是没有构建宽带激光系统专业知识的研究人员，也可以在使用超快激光的实验室中广泛采用。

高能超快薄盘放大器的非线性激光脉冲压缩
在发表于《光学快报》（Optics Express）上的一项研究中，研究人员利用基于掺镱的超快薄盘放大器和非线性压缩技术开发出了一种高能激光脉冲压缩系统。该系统能以 5 kHz 的重复频率产生高达 200 毫焦的高能量脉冲，因此对超快科学应用非常有价值。

研究人员通过在充气的赫里奥特型多通单元中实施非线性展宽，实现了低于 500 飞秒的脉冲持续时间。这种方法实现了高脉冲能量，并保持了出色的光学效率。

研究人员用氩气拓宽了 64 毫焦脉冲，实现了 32 飞秒的压缩，随后又用氦气将脉冲能量提高到 200 毫焦，同时将压缩率保持在 50 飞秒以下，从而证明了这种方法的可扩展性。

这项研究的意义在于创造出持续时间低于 50 fs 的高能激光脉冲，它在太赫兹产生、激光等离子体 X 射线源、高次谐波产生和激光等离子体电子加速等应用领域具有巨大潜力。这些更短、能量更高的脉冲可以显著提高这些应用的性能，尤其是在激光驱动 X 射线产生方面。

未来展望
超快非线性光学可实现精确的激光脉冲压缩，从而推动我们对各个领域超快过程的了解。现代脉冲整形器和优化算法为用户友好型脉冲压缩系统提供了便利，使其有可能实现高强度的阿秒脉冲，从而在光化学和光波电子学领域开展突破性研究。
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作者：Owais Ali