高重频、高功率、单周期飞秒光源 | 进展

单周期飞秒光源被誉为是产生孤立阿秒光脉冲的“理想”驱动源，但其产生与表征难度远高于少周期飞秒激光，是超快激光领域公认的“硬骨头”。长期以来，国际上众多知名研究组采用各类“选通”技术，尝试将少周期飞秒激光与物质的有效作用时间进一步压缩至单周期，从而有效避免了少周期激光驱动产生阿秒脉冲串，间接发挥了单周期飞秒光源能够在一个光学周期内最高效率实现孤立阿秒光脉冲产生这一天然优势。

目前，国际上仅有少数研究组报道过单周期飞秒光源的相关成果，但其综合指标（重复频率 ～kHz、平均功率 ～W）与下一代高通量阿秒光源对驱动源的极端要求（重复频率 ～100kHz、平均功率 10-100W）仍存在差距。在现有技术方案中，单周期飞秒光源为追求极致的脉冲宽度，往往需在重复频率、平均功率、长期运行稳定性及输出效率等关键参数上做出大幅妥协，难以实现多项指标的协同优化。因此，如何高效构建兼具高重复频率与高功率特性的单周期飞秒光源，已成为突破下一代高重频、高通量阿秒光源技术瓶颈的关键。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的方少波等人在单周期飞秒激光产生与表征领域取得进展。他们在飞秒激光传播过程中，引入弱电离稳定机制的超连续谱，通过精准调控气体电离程度，有效抑制了等离子体不稳定性及色散扰动，将超连续白光的光谱范围拓展至350—1300nm。在重复频率50kHz、平均功率13.5W条件下，他们成功地将脉冲宽度从近200fs压缩至3.7fs（变换极限3.6 fs），峰值功率从2.2GW提升至45.8GW，实现了高重频、高功率、单周期脉冲压缩目标。

图 不同单周期脉冲压缩方案的关键指标对比（左），超连续白光光谱展宽（右上），接近变换极限的单周期飞秒脉冲压缩结果（右下）

与以往单周期脉冲压缩方案相比，该方案兼顾了高重复频率、高平均功率、高峰值功率及高产生效率等多项关键指标，实现了多指标协同优化。该成果有望为研发高重频、高通量阿秒光源提供关键技术支撑，助力高重频阿秒物理研究。相关成果以“Single-cycle pulse compression with over 20-fold peak power enhancement at an average power of 13.5W”为题发表于Optics Letters。物理所博士生刘宇哲为第一作者，方少波副研究员为通讯作者。该工作受到了中国科学院、北京市有关项目的支持。

编辑：辣条