白皮书
轻松实现高能量小于 5 fs 的脉冲
一体化 Coherent Astrella 超快放大器脉冲能量高，长期稳定性好，采用创新的脉宽压缩和d-scan 测量技术，为产生超短（小于5fs）脉冲，提供了一种更简单的途径。
综述
为了使超快脉冲激光能够在尽可能广泛的应用领域中使用，Coherent高意一直在实施一项全面的计划，包括设计方法、原材料质量鉴定和采购，以及称为超快科学工业革命的HALT/HASS测试和制作方法。这种方法强调性能、操作简单性、可重复性和可靠性。Astrella千赫兹放大器是这场革命的杰出范例，在新近的型号中，它提供了脉冲宽度短至35fs，单脉冲能量接近10mJ的按键式产品。然而，物理学、光化学和材料科学中的一些重要的新兴应用需要更短的脉冲和/或更高的峰值功率，例如，产生阿秒、 X 射线脉冲或产生相对论电子爆发。在本文中，我们展示了伦敦帝国理工学院的 John Tisch 教授和 Daniel Walke 博士如何与 Coherent 和 Sphere Ultrafast Photonics 合作，利用 Astrella 放大器的易操作性和稳定的光束质量，以实现 5 fs 的脉冲宽度能量高达 2 mJ。这是通过将Astrella与新一代中空光纤脉冲压缩器(HFC)和创新的脉冲压缩器/d-scan 测量技术相结合实现的。因此，这种相对简单和紧凑的系统提供了直接访问脉冲宽度/峰值功率的功能，直到最近才在少数专业激光实验室提供。
Astrella 一体化放大器
该演示在圣克拉拉的 Coherent 进行。如图 1 所示，实验装置中的三个关键组件是 Astrella 放大器、来自 Tisch 集团的用于拓宽带宽的定制 HFC，以及来自 Sphere Ultrafast Photonics 的压缩器/计量 dscan 系统，用于同时测量和优化（即重新压缩）最终输出脉冲。
图 1. 用于 5 fs 脉冲生成和测量的实验装置。Coherent Astrella 放大器的输出通过透镜（f=1 m）聚焦到内径为 250 µm 的差分泵浦空心光纤中，并用氖气或氦气加压。Astrella 的脉冲能量通过波片-偏振器组合（未显示）控制在 0-7 mJ 范围内。空心光纤的光谱展宽输出在由 d-scan 蓝光系统压缩和测量之前，由凹面银镜（f=0.75 m）重新准直。D-scan 测量头仅需要几毫瓦的平均功率，因此使用分束器对中空光纤中的瓦特级（~1 mJ @ 1 kHz）光束进行采样。进入束流收集器的束流通常可用于实验。
Coherent Astrella 是最新一代一体式钛蓝宝石超快放大器的示例；Astrella 能够在脉冲宽度 < 35 fs、波长 800 nm 和重复频率 1 kHz 的情况下，每个脉冲产生超过 7 mJ 的脉冲。所有激光组件均位于紧凑型（26 厘米 x 79 厘米 x 125 厘米）头部中。其中包括一个一体化 Vitara 振荡器、一个脉冲选择器、展宽器、一个由 Coherent Revolution Q-switched Nd:YLF 激光器泵浦的再生放大器，以及一个输出压缩器。这种特殊的架构非常适合光学要求高的应用，例如此处描述的工作，因为可以通过稳定的再生放大器腔体（例如相对于多通放大器）实现光束质量和稳定性。需要对称的高斯光束和稳定的光束指向来紧密聚焦到空芯光纤的小入口孔径中，以确保稳定的 HFC 输出并避免对光纤造成损坏。在这些实验中测得的 Astrella 光束质量为 M² < 1.04。
图 2. 集成 Astrella 放大器的特点是其低 M 2 输出光束，指向稳定性高，输出噪声低。插图展示典型的近场 M 2 数据。
作为 Coherent 正在进行的超快科学工业革命的一部分，Astrella 的稳定性、可靠性和光束质量得到了最大化，我们在工业激光器中应用了经过长期验证的方法、材料和实践；这些激光器用于 24/7 运行和低维护要求对于高产量制造工艺绝对关键的应用。这就需要采取全面、不懈的方法来确保激光器的稳定性和可靠性。例如，我们选择 Astrella 材料，使其在任何工作温度下以及暴露于激光时都具有低释气特性。
同样重要的是，Astrella 的设计和生产（甚至运输！）、其光机械组件以及每个子系统均已使用 HALT/HASS 协议进行了优化。Coherent 在其他技术领域得到了广泛应用和尊重，率先在激光行业使用 HALT/HASS 定量方法 - 请参阅侧栏。
因此，Astrella 具有低输出噪声（0.5% rms）和漂移以及非凡的光束指向稳定性（<10 µrad rms）：它可以在不受影响的情况下进行长时间且复杂的数据运行，甚至可以进行持续数天的 2D 和 3D 光谱研究。
优化的中空光纤压缩机
在该演示实验中，来自 Astrella 放大器的输出脉冲（35 fs 脉冲宽度和 1 kHz 重复频率）被聚焦到 HFC 中。这利用了含稀有气体的中空光纤中自相位调制（SPM）引起的光谱展宽。光纤充当介电波导，限制光束并允许高强度下的长相互作用长度。事实证明，这种既定方法能够以 kHz 重复频率生成高功率（高达 5 mJ）、少周期激光脉冲。
这里使用差分泵浦的中空光纤。由 Tisch 等人首创的差分泵浦利用中空光纤毛细管的低气体导电性，通过差分泵浦保持沿光纤的压力梯度，并在入口保持真空。这减少了激光强度最高的光纤入口处的等离子体形成。（在静态充气中空光纤中，输入侧的等离子体形成会通过改变入口处焦点的尺寸和位置使其偏离最优值，从而导致耦合效率和射击稳定性降低。）如图 1 所示，HFC 出口处的独立充气（氦或氖）单元允许沿光纤建立压差梯度，同时保持入口单元中的真空（<1 毫巴）。
在这些实验中，Astrella 输出脉冲由 1 m 焦距、宽带抗反射涂层透镜聚焦，并在没有任何主动稳定的情况下被引导到 1 m 长的空心熔融石英光纤（内半径 a = 125 µm）通过 0.5 mm 厚的熔融石英 AR 涂层入口窗安装在真空池内。测量焦点处的高斯光束腰约为 160 µm，符合条件 w0 = 0.64a，以实现最优能量耦合到空心光纤中，并产生约 1014 W/cm 的焦斑强度2。精确的脉冲强度取决于脉冲能量，在实验中，通过临时放置在 Astrella 系统压缩机前的 λ/2 波片，脉冲能量可以在 0.5 - 7 mJ 范围内连续调谐。由于 Astrella 放大器的高稳定性输入光束和差分泵浦中空光纤的结合，该系统能够在活动的每一天连续运行，无需用户主动反馈或重新调整。
就氖管而言，HFC 设置中的 SPM 产生的带宽覆盖范围 550 - 1000 nm。这些宽带脉冲通过 0.5 mm 熔融石英布鲁斯特窗口离开气室后均被压缩，并使用 d-scan 蓝光系统（Sphere Ultrafast Photonics, Porto, Portugal）确定其完整的时间和相位分布。
d-scan 脉冲压缩器/脉冲时间测量
有多种方法可以表征飞秒脉冲的各个方面，但本次演示中使用的 d-scan 蓝光单元具有许多优点，包括其能够在少周期状态下测量和压缩具有世界纪录持续时间的脉冲（到单周期脉冲）。整体的易用性和速度使 d-scan 成为 HCF 测量和优化的理想工具。首先，它可以在单个单元中执行压缩/控制和时间测量。其次，它是一款强大的独立工具，能够很好地容忍输入光束未对准（甚至 ± 几度偏差），因此可以快速设置。第三，它速度快，可在不到 1 分钟的时间内提供千赫兹脉冲重复频率的完整脉冲特征（相位和幅度）。此外，用户可以选择按钮优化来产生尽可能短的脉冲宽度，而无需特殊的脉冲计量专业知识。
此外，d-scan 方法可以为要求更高的用户提供详细的脉冲表征数据集。例如，用户可以输出所有关键波长、相位和强度参数的图，提供强度与波长、强度与时间、相位与波长以及相位与时间的图。因此，d-scan 仪器可以揭示是否存在任何脉冲中断，并记录脉冲的完整相位，即其所有阶的残余色散，包括三阶色散（TOD）和四阶色散（FOD）。
与其他脉冲时间测量方法一样，d-scan 设备利用光学效应将相位信息转换为可以在光电探测器阵列上感测的幅度信号。专为 HCF 系统定制的 d-scan 模块包括一个啁啾镜压缩器，压缩器包括平移台上的一对薄玻璃楔块，可提供正色散和负色散。脉冲通过压缩器后，一小部分在非线性晶体中经历二次谐波，并根据引入的色散测量所得频谱，从而实现脉冲的在线监测。通过测量最大压缩点周围不同输入相位（玻璃插入）的非线性信号频谱，可以获得二维迹线（d-scan 迹线 - 图 3“已测量”），从而能够完全检索通过迭代算法计算脉冲的光谱相位（图 3“已检索”）。在操作中，d-scan 单元自动扫描最优压缩值（即可获得的最短脉冲宽度）附近的玻璃楔形色散。然后，内部算法处理 SHG 光谱并导出完整的相位/强度/波长/时间数据集。
初步数据讨论
在使用该设置的第一组实验中，研究人员展示了当使用 1.5 mJ 的输入脉冲能量时，HFC 输出能量为 0.7 mJ 的亚 6-fs 脉冲。他们发现这种输出功率受到氖气电离的限制。使用氦作为非线性介质可以提高输出功率，氦具有更大的电离势，但也具有较低的非线性指数，即较低的 SPM 效率。然后，他们使用 3.4 bar（在 HFC 出口）的氦气作为非线性介质，使用 5 mJ 的输入脉冲能量，实现了 6 fs 脉冲，HFC 输出能量为 2 mJ。Tisch 指出，未来通过使用更大直径的 HFC 可以输出更大的能量，这使得传输的能量能够变强但是却不增加光纤内强度。
图 3. 上方（左）：测量和（右）：使用差分泵浦中空光纤（直径 250 微米，长 1m）拟合压缩脉冲的 d-scan 数据，在出口端用氖气加压至 3 bar。输入激光脉冲能量为 1.5mJ（1kHz 脉冲重复频率下为 1.5W），输出脉冲能量为 0.77mJ。下方（左）：脉冲频谱和检索的频谱相位；（右）时域中的输出脉冲、傅里叶变换限制脉冲和检索脉冲，显示持续时间为 5.1 fs FWHM。
脉冲数据集 |
|
检索脉冲 FWHM |
5.1 fs |
傅里叶变换极限的 FWHM |
4.5 fs |
相对峰值功率 |
76.5% |
表格。图 3 所示数据集的脉冲分析摘要。相对峰值功率是压缩脉冲与理想傅里叶变换极限脉冲相比的峰值功率。
图 3 显示了来自氖填充 HFC 设置的一些典型数据，并在附表中总结了总体脉冲参数。该图显示了测量的 d-scan 数据和从 d-scan 蓝光系统的专有迭代算法获得的“检索” d-scan 线迹。这些特定数据显示了 40-60 fs 范围内一些残余三阶色散（TOD）的影响2，正如 d 扫描轨迹中的小倾斜所证明的那样，与理想（傅里叶极限）压缩相比，相对峰值功率为 76%。研究人员希望在下一组实验中通过优化 HFC 参数和仔细的色散管理（例如使用水池）来获得更低的 TOD、更短的脉冲宽度和更高的峰值功率。d-scan 系统的易用性使研究人员能够快速扫描 HFC 系统的参数空间（例如改变气压和输入脉冲能量），同时监测输出脉冲。这为优化此类 HFC 系统的性能提供了一种简单的方法。
Tisch 教授解释了这些初步结果的背景：“大多数中空光纤用户向其光纤中注入了大约 1 mJ 的能量。如果不采用差分泵浦，即如果中空光纤充满均匀的气压，则这是典型的能量极限。只有少数团体正在使用远高于 2 mJ 的 HFC，而那些确实依赖于差分泵的团体。我认为还需要注意的是，在本次项目中，我们可以将 5 mJ 耦合到标准光纤中，无需任何特殊的光纤输入适配器（如其他一些小组所使用的那样），具有合理的效率，并且不会损坏中空光纤。这证明了 Astrella 出色的光束质量和高光束指向稳定性。”
总结
超快激光脉冲的简史表明，激光器和相关技术的进步使得人们能够常规地获得更短的脉冲宽度和更高的峰值功率。这种简洁的装置是将这些脉冲从专业激光实验室转移到从细胞生物学到粒子物理学的广泛的科学学科领域的关键。如今，在最新一代集成飞秒放大器中，毫焦能级放大到 35 fs 脉冲宽度已经接近一键启动操作，例如 Astrella。这里所描述的工作有望为另一个超快里程碑指明前进的道路，在那里，高功率的 5-fs 脉冲可以常规地用于不同但同样重要的科学研究分支。
侧边栏
HALT/HASS 对激光器稳定性和可靠性的影响
精心的材料选择以及更好的光机部件和系统设计只是 Astrella 出色的可靠性和稳定运行的部分原因。Astrella 使用称为高加速寿命测试（HALT）的测试方法进行设计和优化。这是一种经过验证的方法，它采用初始组件和系统设计，并通过将组件和系统推向故障，分析故障机制，设计出故障原因，然后迭代地重复严格的测试，直到消除所有可识别的故障机制。
然后，我们使用 HALT 的结果来制定有效的最终筛选方案（HASS 为高加速应力筛选），以消除产品制造缺陷或错误，而不会降低运送给客户的设备的使用寿命。除了其他测试外，组装好的 Astrella 激光器还要在该系统内接受预先编制好的严格测试，包括振动和突然的温度变化。在 HASS 测试结束时，如果 Astrella 的性能发生任何可测量的变化，则拒绝发货。
来自众多行业的证据证实，成功的 HALT/HASS 方法已经得到完全的验证。Coherent 以成为第一家使用 HASS 认证测试硬件和软件的科学激光器制造商而自豪；仅环境测试室就意味着大量的资本投资。通过 Astrella，我们已经证明，经过多次 HALT 迭代和最终 HASS 检查，即使是像超快放大器这样复杂的产品最终也能实现这种不懈的改进，并提供极高的可靠性和使用寿命。