实现载波包络相位稳定的毫焦耳级少周期激光脉冲：重复频率无关的后压缩新技术

《High Power Laser Science and Engineering》：Repetition-rate-independent post-compression to achieve CEP stable few-cycle laser pulses

本文报道了ELI ALPS团队为解决高重复频率激光系统热管理难题及重复频率灵活性需求，开发出HR Alignment激光系统。该研究通过Yb:KGW前端结合多通池后压缩技术，成功获得重复频率可调（10 Hz-10 kHz）、CEP稳定（<300 mrad）、亚6 fs、1 mJ的少周期脉冲，为阿秒高次谐波产生和反应显微镜实验提供了高性能驱动源，显著提升了ELI ALPS设施的超快研究能力。

　　

在超快科学领域，物理学家们一直致力于捕捉物质中转瞬即逝的电子动力学过程，这些过程通常发生在飞秒（10^-15秒）甚至阿秒（10^-18秒）的时间尺度上。要观测这些超快现象，科研人员需要特殊的"闪光灯"——能够产生极短脉冲宽度、极高峰值功率且电场形态精确可控的激光系统。特别是当研究进入阿秒科学前沿时，对激光源提出了更为严苛的要求：脉冲持续时间需压缩至少数光学周期（少周期脉冲），同时必须实现载波包络相位（CEP）的稳定控制，这对于产生孤立阿秒脉冲至关重要。

位于匈牙利塞格德的ELI ALPS研究中心是欧洲极端光基础设施的重要组成部分，其HR1激光系统虽能提供100 kHz高重复频率的阿秒脉冲，但在实际应用中暴露出局限性。高重复率在提升数据采集效率的同时，也带来了热管理挑战，且某些实验（如需要靶材更新的反应显微镜研究）往往需要更灵活的重复频率调节能力。更关键的是，基于镱掺杂光纤放大器的HR1系统由于其储能时间特性，难以在保持单脉冲能量的前提下实现重复频率的宽范围调节——降低重复频率会导致单脉冲能量剧增，可能引起放大器饱和、增益畸变甚至光学元件损伤。

为解决这一关键技术瓶颈，ELI ALPS的研究团队成功研制了HR Alignment激光系统。这一系统巧妙结合了商用Yb:KGW激光前端与多级多通池（MPC）后压缩技术，实现了重复频率独立的高性能脉冲输出。研究人员通过精密的系统设计和全面的性能表征，证明该系统能在10 Hz至10 kHz的宽重复频率范围内，稳定产生亚6飞秒、毫焦耳级能量且CEP稳定的激光脉冲，为超快科学研究提供了全新的工具。

在技术方法上，本研究主要采用：1）基于Yb:KGW的Pharos激光前端系统，提供重复频率可调的300 fs种子脉冲；2）两级气体填充多通池（MPC）后压缩技术，分别使用氪气（0.6 bar）和氩气（0.15 bar）作为非线性介质，通过多通聚焦实现光谱展宽；3）GTI型啁啾镜组进行色散补偿，精确控制群延迟色散（GDD）和三阶色散（TOD）；4）双级f-2f干涉仪CEP稳定方案，结合立体Above-Threshold Ionization（ATI）测量进行闭环外验证；5）d-scan技术进行脉冲时域特性表征。

系统设计与布局

研究团队设计了紧凑型光路架构，系统占地面积仅3×1.5米。前端采用Pharos激光器，输出1030 nm、300 fs的CEP稳定脉冲。第一级MPC使用2米腔长、10次焦点通过的氪气压缩方案，配合啁啾镜补偿2800 fs²的GDD，将脉冲压缩至30 fs。第二级MPC采用相同腔长但11次焦点通过的氩气压缩方案，进一步将脉冲压缩至亚6 fs。整个系统还集成了主动光束稳定和脉冲挑选功能，确保重复频率变化时性能稳定。

能量稳定性与空间质量

系统表现出卓越的长期稳定性，1小时内能量波动RMS值低于0.04%。主动光束稳定技术使指向稳定性优于25 μrad。M²因子测量显示光束质量接近衍射极限（x轴1.0，y轴1.16），斯特列尔比达0.95。多通池内的非线性相互作用产生的空间滤波效应进一步优化了光束质量。

时域与光谱质量

d-scan测量显示脉冲时宽为5.7 fs（傅里叶变换极限），主峰包含86.3%的能量。三阶自相关测量表明时间对比度优异，预脉冲侧-2 ps处强度已低于10^-6水平，ASE背景对比度达10^-10。两级MPC使光谱带宽增加40倍，且在不同重复频率下保持光谱均匀性。

载波包络相位稳定性

双级f-2f稳定方案有效抑制了CEP噪声。立体ATI测量验证了闭环外CEP稳定性优于300 mrad。系统在10 Hz-10 kHz重复频率范围内均保持稳定的CEP性能，证明多通池引入的相位噪声可忽略不计。

气相光电子能谱应用

系统已成功集成于ELI ALPS的HR Gas束线，驱动反应显微镜（ReMi）进行阿秒光离子谱测量。连续8小时实验显示粒子计数率稳定，证明了系统在长时间采集实验中的可靠性。该系统已支持连续5天不间断测量，展现了其在要求高统计量的时间角分辨光电子-光离子谱学中的应用潜力。

本研究成功开发了一种紧凑、高重复频率、CEP稳定的亚6 fs激光系统，输出脉冲能量超过1 mJ，重复频率可在10 Hz至10 kHz范围内灵活调节。系统基于商用Pharos激光前端和两级多通池后压缩技术，在能量稳定性、光束质量、时间对比度和CEP稳定性方面均表现出优异性能。特别值得注意的是，系统在所有关键参数上都实现了重复频率无关的操作特性，这一突破性进展解决了高重复频率激光系统在热管理和实验灵活性方面的固有矛盾。

该系统的成功研制为超快科学研究提供了强大工具，特别适用于高次谐波产生、阿秒光谱学和反应显微镜等前沿研究领域。与追求单一参数极限的传统思路不同，HR Alignment系统展示了在保持高性能的同时实现鲁棒性和操作便捷性的新范式。该系统已成功集成于ELI ALPS设施的HR Gas束线，为国际用户开展阿秒尺度的光与物质相互作用研究提供了独特平台，将推动超快科学向更精密、更高效的方向发展。