图片展示了高次谐波输出平均功率的发展和本论文取得的结果。
图片来源：PhotoniX, 2021, 2(1): 1-8.
撰稿人 | 胡明列，范锦涛 (天津大学)
论文题目 | 重频为兆赫兹的高平均功率超短脉冲相干极紫外激光光源
主要作者 | Robert Klas, Jens Limpert
完成单位 | 德国耶拿大学阿贝光子学中心应用物理研究所，德国亥姆霍兹耶拿研究所
论文概述
高重复频率极紫外光源在相干成像、原子分子动力学研究、光谱物理等领域具有非常广阔的应用前景。2021年4月19日，德国耶拿大学Jens Limpert教授及课题组成员于PhotoniX上发表题目为：Ultra-short-pulse high-average-power megahertz-repetition-rate coherent extreme-ultraviolet light source的论文。该课题组基于压缩后脉冲宽度仅为18.6 fs的高功率窄脉冲绿光作为泵浦光源，报道了高重复频率、高平均功率、支持脉冲宽度小于6 fs的紧凑型台式相干极紫外光源，创造了极紫外输出脉冲平均功率的新纪录。
研究背景
高次谐波产生为实现紧凑型台式相干极紫外(XUV)激光脉冲输出提供了有力途径，是对传统同步辐射和自由电子激光这类大科学装置XUV光源的有效补充。但是利用高次谐波产生XUV输出平均功率较低，限制了其进一步应用。如何提升谐波产生效率，获得高功率XUV输出，一直是超快光学领域研究的热点和难点。理论研究表明采用更短波长、更窄脉冲的高功率激光器作为泵浦光源可以有效的提升高次谐波产生效率。然而，因为镀膜介质镜的双光子吸收和材料的热累积，窄脉冲短波长激光泵浦产生高次谐波仍然是一个挑战。
技术突破
本文创造性地提出了利用高平均功率(51 W)、短泵浦波长(515 nm)、窄脉冲宽度(18.6 fs)的绿光作为泵浦驱动HHG产生，有效提升产生XUV的转换效率，获得功率为12.9 ± 3.9 mW的单一阶次HHG输出。所采用技术方案如图1所示，将Yb光纤飞秒激光系统输出基频光进行倍频，获得的绿光耦合进入充气空芯光纤中进行光谱展宽，利用啁啾镜对进行脉冲压缩，获得了平均功率高达51 W、脉冲宽度仅为18.6 fs的绿光。利用此绿光激发氪气产生HHG，可以获得稳定XUV输出，其中最强阶次输出功率高达12.9±3.9 mW。其输出光谱如图2(a)所示，其中最强阶次支持脉冲宽度仅为5.1 fs。
图1 高平均功率XUV产生实验装置示意图。(a)和(b)为展宽之后绿光光谱及去啁啾后脉冲自相关曲线；(c)为聚焦后绿光光斑。
图2 产生XUV实验结果图。(a)输出XUV光谱图；(b)11次谐波对应变换极限脉冲宽度及模拟得到的脉冲宽度；(c)输出高次谐波稳定性；(d)输出XUV空间模式
观点评述
德国Jens Limpert教授团队长期致力于高功率光纤激光以及非线性光纤光学研究，在光纤激光器脉冲合束和高次谐波产生方面取得了令人瞩目的成就。本项工作核心在于泵浦光源的选择。此前报道的利用Yb光纤激光器产生XUV的转换效率较低，输出功率被限制在mW量级。本文采用了高功率窄脉冲的绿光作为泵浦光源，有效的提升了高次谐波产生的转换效率，实现了破纪录的高平均功率XUV输出。文中报道的XUV光源为极紫外荧光光谱学、泵浦探测、激光成像等领域的应用提供了新的平台。本研究也为高重频、高平均功率XUV产生提供了新的思路，未来随着Yb光纤飞秒激光器功率的不断提升和脉冲压缩技术的不断发展，有望实现百mW量级XUV激光输出。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-021-00028-y
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