基于Yb:KGW激光放大器的單周期脈沖合成技術(shù)獲得突破

    超快光學(xué)與強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域，對(duì)激光脈沖的時(shí)間分辨率、能量可控性及光譜覆蓋范圍的持續(xù)追求，是推動(dòng)該領(lǐng)域理論創(chuàng)新與應(yīng)用拓展的核心驅(qū)動(dòng)力。長(zhǎng)期以來，基于鈦寶石（Ti:sapphire）晶體的激光器因可在電磁波譜可見光及鄰近波段生成少周期、單周期乃至光學(xué)阿秒脈沖，始終在尖端光技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，為原子分子動(dòng)力學(xué)研究、阿秒科學(xué)發(fā)展提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)工具。然而，隨著研究對(duì)激光能量可擴(kuò)展性、重復(fù)頻率適應(yīng)性需求的提升，摻鐿KGW（Yb:KGW）激光技術(shù)逐漸顯現(xiàn)出潛在優(yōu)勢(shì)——但如何將其脈沖壓縮至單周期及亞周期量級(jí)，始終是制約該技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
    近日，德國(guó)羅斯托克大學(xué)EleftheriosGoulielmakis團(tuán)隊(duì)在《Optica》（2025年第12卷第3期）發(fā)表的研究成果，成功突破這一技術(shù)瓶頸。該團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“雙級(jí)空芯光纖光譜展寬+光場(chǎng)合成”協(xié)同方案，實(shí)現(xiàn)了基于Yb:KGW激光放大器的單周期脈沖輸出，不僅填補(bǔ)了Yb:KGW激光在超短脈沖領(lǐng)域的技術(shù)空白，更為超快科學(xué)領(lǐng)域的光源升級(jí)與應(yīng)用拓展提供了全新范式。

    一、Yb:KGW激光的技術(shù)定位：優(yōu)勢(shì)與核心挑戰(zhàn)
    （一）技術(shù)優(yōu)勢(shì)：可擴(kuò)展性與兼容性的雙重突破
    相較于傳統(tǒng)鈦寶石激光器，Yb:KGW激光在過去十年的技術(shù)發(fā)展中，展現(xiàn)出兩大核心競(jìng)爭(zhēng)力：
    1.能量與重復(fù)頻率的可擴(kuò)展性：Yb:KGW激光系統(tǒng)可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)脈沖能量與重復(fù)頻率的靈活調(diào)節(jié)，更易適配高功率強(qiáng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，滿足原子分子電離、等離子體調(diào)控等研究對(duì)激光能量的需求；
    2.波段兼容性：其輸出脈沖的中心波長(zhǎng)約為1030nm（近紅外波段），與現(xiàn)有多數(shù)光學(xué)元件（如透鏡、色散鏡、光纖）的適配性更高，可降低實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建復(fù)雜度與成本。
    （二）核心挑戰(zhàn)：?jiǎn)沃芷趬嚎s的技術(shù)壁壘
    盡管具備顯著優(yōu)勢(shì)，Yb:KGW激光實(shí)現(xiàn)單周期脈沖仍面臨兩大關(guān)鍵障礙：
    1.初始脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)：商用Yb:KGW激光系統(tǒng)輸出脈沖的典型持續(xù)時(shí)間約為170飛秒（fs），遠(yuǎn)長(zhǎng)于鈦寶石激光器的短脈沖水平，需通過更高倍數(shù)的壓縮方可達(dá)到單周期量級(jí)；
    2.紅外波段非線性效應(yīng)減弱：在Yb:KGW激光的紅外載波頻率下，氣體介質(zhì)的非線性響應(yīng)顯著降低，導(dǎo)致脈沖光譜展寬與時(shí)間壓縮的效率受限。據(jù)測(cè)算，實(shí)現(xiàn)單周期脈沖所需的壓縮因子約為70，遠(yuǎn)超此前基于非線性方法的技術(shù)能力范圍。

    二、技術(shù)方案：雙級(jí)空芯光纖展寬與光場(chǎng)合成的協(xié)同創(chuàng)新
    為突破上述瓶頸，Goulielmakis團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了“光譜超寬化脈沖精準(zhǔn)合成”的兩步技術(shù)路徑，核心在于通過雙級(jí)空芯光纖模塊實(shí)現(xiàn)光譜極限拓展，再借助光場(chǎng)合成器完成超短脈沖的精準(zhǔn)構(gòu)建。
    （一）第一步：雙級(jí)空芯光纖模塊——實(shí)現(xiàn)3.5個(gè)光學(xué)倍頻程的光譜覆蓋
    實(shí)驗(yàn)以商用Yb:KGW激光系統(tǒng)（輸出參數(shù)：脈沖持續(xù)時(shí)間170fs、單脈沖能量1mJ、重復(fù)頻率6kHz）為光源，通過兩級(jí)填充氖氣的空芯光纖結(jié)構(gòu)，逐步實(shí)現(xiàn)脈沖光譜的超寬化拓展：
    1.第一級(jí)：高壓氖氣環(huán)境下的初步壓縮與光譜展寬
    激光脈沖經(jīng)抗反射涂層熔融石英透鏡（焦距f=75cm）耦合至空芯石英毛細(xì)管（內(nèi)徑250μm、長(zhǎng)度0.55m），該毛細(xì)管置于壓力為18巴（bar）的氖氣填充腔室中。選擇氖氣作為非線性介質(zhì)，基于團(tuán)隊(duì)此前研究（Optica,2024）中驗(yàn)證的優(yōu)異非線性響應(yīng)特性；同時(shí)，將聚焦透鏡設(shè)置于腔室入口窗口附近（僅數(shù)厘米距離），以增大光束光斑尺寸、降低光強(qiáng)，從而抑制非目標(biāo)非線性效應(yīng)。
    脈沖經(jīng)6片色散鏡（4片HD120型、2片PC147型，UltraFastInnovations）反射壓縮后，其時(shí)間持續(xù)時(shí)間縮短至20.5fs，激光功率達(dá)4.7W，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)83%，為后續(xù)光譜拓展提供了穩(wěn)定的脈沖基礎(chǔ)。
    2.第二級(jí)：低壓氖氣環(huán)境下的光譜極限突破
    經(jīng)第一級(jí)處理的脈沖通過第二片熔融石英透鏡（f=75cm）耦合至第二根規(guī)格相同的空芯光纖，腔室氖氣壓力調(diào)整為3.6bar——該壓力參數(shù)可進(jìn)一步抑制多余非線性干擾，推動(dòng)光譜向更寬波段延伸。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，脈沖光譜范圍從短波紅外波段（約1900nm）拓展至真空紫外波段（約170nm），覆蓋3.5個(gè)光學(xué)倍頻程（1個(gè)光學(xué)倍頻程對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍翻倍，3.5個(gè)倍頻程意味著光譜跨度從近紅外延伸至真空紫外）。同時(shí)，通過6小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，該超連續(xù)譜的平均功率穩(wěn)定維持在3.47W，標(biāo)準(zhǔn)差僅0.038W，長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于1.1%，且無需額外光束指向穩(wěn)定裝置即可實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)脈沖合成提供了高可靠性光源。
    （二）第二步：光場(chǎng)合成器——構(gòu)建2.14fs單周期脈沖
    超寬光譜是實(shí)現(xiàn)單周期脈沖的基礎(chǔ)，而精準(zhǔn)控制不同光譜成分的相位與時(shí)間同步，需依賴光場(chǎng)合成器完成：
    1.光譜通道劃分與獨(dú)立壓縮
    團(tuán)隊(duì)選取3801000nm作為脈沖合成的核心帶寬（兼顧光譜強(qiáng)度與相位可控性），通過寬帶色散分束器將該波段劃分為三個(gè)獨(dú)立通道：
    紫外可見光通道（380500nm）：經(jīng)薄石英楔（角度248°）色散微調(diào)后，脈沖持續(xù)時(shí)間壓縮至7.1fs，對(duì)應(yīng)載波波長(zhǎng)458nm的4.6個(gè)光學(xué)周期；
    可見光通道（500700nm）：壓縮后脈沖持續(xù)時(shí)間6.7fs，對(duì)應(yīng)載波波長(zhǎng)578nm的3.4個(gè)光學(xué)周期；
    近紅外通道（7001000nm）：壓縮后脈沖持續(xù)時(shí)間6.5fs，對(duì)應(yīng)載波波長(zhǎng)896nm的2.1個(gè)光學(xué)周期。
    2.相干疊加與脈沖表征
    采用同色阿秒技術(shù)（HomodyneAttosecondSpectroscopy,HAS）實(shí)現(xiàn)三通道脈沖的相干疊加：將合成脈沖通過雙凹面鏡組件（含同心鍍銀內(nèi)鏡與外鏡）分為“泵浦脈沖”與“門脈沖”，二者聚焦于鎢納米尖端（尖端半徑約35nm）；通過壓電平移臺(tái)控制兩脈沖間的延遲（精度達(dá)阿秒級(jí)），利用飛行時(shí)間光譜儀（入口距鎢納米尖端約2mm）記錄電子能量隨延遲的變化，反推合成脈沖的電場(chǎng)與強(qiáng)度分布。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成脈沖的半最大全寬（FWHM）為2.14fs，中心波長(zhǎng)736nm（對(duì)應(yīng)光學(xué)周期2.46fs），其強(qiáng)度分布半寬內(nèi)包含0.87個(gè)光學(xué)周期，完全達(dá)到單周期脈沖標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，合成脈沖能量超過120微焦（μJ），滿足強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)的能量需求。

    三、技術(shù)意義與應(yīng)用展望
    該研究不僅實(shí)現(xiàn)了Yb:KGW激光的單周期脈沖輸出，更在超快光學(xué)領(lǐng)域具有多重突破性意義：
    1.打破鈦寶石激光器的技術(shù)壟斷：此前，單周期、阿秒脈沖的生成高度依賴鈦寶石激光系統(tǒng)，而本研究證明Yb:KGW激光在超短脈沖領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，其能量可擴(kuò)展性與波段兼容性將推動(dòng)超快光源向更高功率、更寬適用場(chǎng)景發(fā)展；
    2.拓展超快科學(xué)的研究邊界：合成的單周期脈沖可與Yb:KGW激光自身輸出的短波紅外脈沖結(jié)合，形成多波段協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)，為低帶隙材料（如柔性電子材料）、關(guān)聯(lián)體系（如高溫超導(dǎo)體）的超快動(dòng)力學(xué)研究提供新工具，同時(shí)支撐物質(zhì)各相態(tài)下的強(qiáng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)（如分子解離、激光核聚變前驅(qū)研究）；
    3.指向阿秒脈沖的新路徑：研究中實(shí)現(xiàn)的3.5個(gè)光學(xué)倍頻程超連續(xù)譜，理論上可支持阿秒級(jí)脈沖（持續(xù)時(shí)間數(shù)百阿秒，1阿秒=10?¹?秒）的合成，為突破時(shí)間分辨率極限、探究原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了技術(shù)可能。
    未來，隨著雙級(jí)空芯光纖模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如更精準(zhǔn)的壓力控制、更長(zhǎng)的光譜覆蓋）與光場(chǎng)合成技術(shù)的相位調(diào)控精度提升，Yb:KGW激光有望成為超快科學(xué)領(lǐng)域的主流光源，推動(dòng)強(qiáng)場(chǎng)物理、材料科學(xué)、量子調(diào)控等交叉學(xué)科的理論與應(yīng)用創(chuàng)新。