白皮书
飞秒放大器提供对极端操作系统的一键式访问
Astrella 再生放大器以其卓越的光束质量和长期的运行稳定性，成为极端操作实验条件下理想的一键式访问激光器，而这样的实验条件以往均需要复杂的光源和大量的激光专业知识支持。本白皮书解释了如何使用这种工业级超快放大器来达到短于 5 fs 的脉冲宽度，生成低至 13 nm 的 EUV 波长，并执行持续 48 小时的宽带二维光谱扫描。
钛宝石再生放大器
虽然掺镱光纤等新型激光增益材料越来越多地用于飞秒科学领域，但钛宝石（Ti:Sapphire）具有较宽的光谱宽带和良好的增益特性，对于需要非常高的脉冲能量和/或极短的脉冲宽度的应用，钛宝石这项技术这种经过验证的技术仍然是无法被取代的。钛宝石最常见的重复频率为 1-5 kHz。实现这些性能优异的激光器架构是基于带有再生放大器的啁啾脉冲放大（CPA）。这里，重复频率约为80 MHz的 钛宝石飞秒振荡器的输出脉宽被展宽至数十皮秒，然后通过快速光闸将其重复频率降至千赫兹，然后在由调 Q 绿光激光器泵浦的单通或多通放大器中进行放大。放大后的脉冲接着通过压缩器，压缩到振荡器脉冲持续时间。像 Coherent 这样的垂直集成激光器制造商提供所有这些组件，即振荡器、放大器、泵浦激光器等，这些组件作为单独的设备，可以组合起来实现所需的性能。为了向最广泛的用户群提供放大的飞秒脉冲，我们还提供“一体化”放大器，所有的组件都集成在一个坚固的激光头内。
直到最近，商业化的钛宝石系统需要在系统复杂性和性能之间进行权衡。开放式架构系统可以实现最短的脉冲宽度和最高的脉冲能量，而一体化集成放大器操作更加简单（通常是按键式），但代价是损失了某些尖端的性能。现在，这种情况已经随着新一代集成式放大器（例如 Coherent Astrella 系列）而改变，其具有更高的脉冲能量和更短的脉冲持续时间，这将大大缩小与复杂的多通放大器的差距。结合可利用的商业资源和精密的配件，Astrella 提供了以前仅在少数专业激光实验室中可实现的操作简便性。
工业级简单性和可靠性
紧凑封装中提高性能只是提高超快放大器实用性的部分要求；Astrella 还将操作简便与可靠性和长期稳定性结合在一起。这种可靠性/稳定性是 Coherent 名为“超快科学领域的工业革命”的项目成果。 这包括设计方法、材料确认和采购的综合计划，以及 HALT/HASS 测试协议。在 HALT（高加速寿命测试）中，元器件会经过破坏、重新设计、重新测试的反复测试，以消除任何自身缺陷。HASS（高加速应力筛选）在最终装运前对整机进行超出其规定操作环境的测试。这样的操作可以筛选出生产、组装等方面的任何缺陷。图 1 显示装载到我们定制的 HALT/HASS 测试室中的 Astrella。
图 1：HALT/HASS 测试和筛选是实现 Astrella 放大器工业可靠性的关键因素
因此，Astrella 提供一键式操作，800 nm 下单个脉冲能量高达 7 mJ，脉冲宽度 < 35 fs，重复频率为 1 kHz。所有激光组件均位于紧凑型（26 厘米 x 79 厘米 x 125 厘米）的激光头中。这类放大器还具有出色的长期稳定性，这对于数据采集时间可能长达数十小时的二维（2D）光谱等实验尤为重要。
物理、光化学和材料科学领域的一些重要新兴应用需要更短的脉冲宽度和/或非常短的波长，例如，生成极紫外（EUV）脉冲或几飞秒的脉冲宽度。Astrella 提供的变换极限脉冲具有低振幅噪声、高相位稳定性以及高光束质量（M2 < 1.25）。这意味着此类脉冲也是驱动非线性光学过程达到这些极限领域的理想选择。
二维光谱学
超快放大器最苛刻的一些应用是二维光谱学的各种分支领域。在传统光谱学中，光信号（红外吸收、拉曼散射等）被记录为激发波长的函数。在过去的十年中，二维光谱学技术的许多细分研究领域变得越来越流行。这里，具有尽可能大带宽的激光脉冲用于确定不同分子振动或电子能级耦合的强度，以及这些耦合的移相时间。如图 2 所示，实验数据通常绘制为二维等值线。振动等值线的形状还能够提供一些信息，能够分别确定使激发态寿命的均匀和非均匀成分。
尽管 2D 光谱学概念在频域中绘制时最容易理解，但在大多数实验中的数据，是通过时域中的傅里叶变换获取。这需要通过飞秒激光源提供的的宽带脉冲同时跨越感兴趣的频率区域得以实现。这里，单个宽带源和脉冲整形器生成脉冲序列。两个紧密同步的脉冲之间的时序被转换到频域，扫描两对脉冲之间的时序可以确定移相寿命，有时称为 3D 数据。请查阅 Xiong 白皮书，获取更多详细信息。
图 2. 根据 HD 2D SFG 数据和反射模式红外光谱数据确定催化剂在金表面的方向，并使用密度泛函数理论（DFT）进行模拟。方向“A”为优选。蓝色棒代表振动模式方向。插图展示本研究的 2D 数据图：表面结合催化剂的 2D SFG 数据和显示溶液中催化剂相同振动信息的 2D 红外光数据。
加州大学圣地亚哥分校的 Wei Xiong 教授的团队正在使用 2D 光谱来研究多相催化剂 Re（diCN-bpy）（CO）3 Cl - 与金表面结合，以及这种结合如何影响其动力学（见图 2）。该化学物质为 CO2 还原催化剂，因此是可持续能源方案中使用的候选物。
Xiong 的团队正在进行基于和频振荡 (SFG) 的实验，和频振荡技术最初是熊伟教授读研究生时在 Martin Zanni 实验室开发的。2D SFG 是研究表面结合催化剂的理想选择，因为 SFG 振动信号仅在表面和相界面产生。这在很大程度上消除了由于未结合（在溶液中）催化剂分子造成的潜在巨大背景噪音。然而，由于催化剂以单层形式结合，SFG 信号本身极其微弱。由于信号对激光强度具有非线性依赖性，因此高脉冲能量和短脉冲宽度是绝对必要的；这就是 Xiong 选择 Astrella 来完成这项工作的原因。他提到投资 Astrella 作为实验室主要超快来源的另外一个原因是其易用性和长期稳定性。“为了获得不同延迟时间的完整光谱（3D 数据），我们有时不得不对 48 小时的连续测量数据进行平均，这就对激光稳定性提出了极高的要求。在此期间，放大器输出稳定且光束指向、光束质量、脉冲能量等不发生漂移至关重要。Astrella 的稳定性意味着我们可以在实验室附近的办公室远程控制激光器的同时进行这些长时间的数据运行 Xiong 的团队使用这种装置来确定催化剂在金表面上的特定方向（见图 2）以及表面结合对关键振动之间动态耦合的影响。
轻松实现高能量小于 5 fs 脉冲
Astrella 可以提供脉冲宽度小于 35 fs 且脉冲能量超过 7 mJ 的一键式访问激光器。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。最近，Coherent 与伦敦帝国理工学院的 John Tisch 教授和 Daniel Walke 博士以及 Sphere Ultrafast Photonics 的科学家合作，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。如图 3 所示，该装置的一个关键要素是 Tisch 团队开发的差分泵浦空心光纤压缩器（HFC），用于生成超短脉冲。另一个重要组件是 Sphere 团队首创的 d-scan 脉冲压缩/测量系统。
图 3：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。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。分束后的能量为几毫瓦的激光束可用于D-scan实验。（插图显示了时域中的典型 d-scan 输出数据，包括傅里叶变换限制脉冲和实际检索的脉冲，在这种情况下显示了 5.1 fs FWHM 的持续时间。
此方法利用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。
这里的一项关键创新是差 分浦HFC.正如 Tisch 等人所开创的那样，差分泵浦可减少激光强度最高的光纤入口处的等离子体形成。（在静态充气空心光纤中，输入端的等离子体形成会通过改变入口处焦点的尺寸和位置，使其偏离最佳值，从而导致耦合效率和脉冲之间稳定性降低。）在 HFC 入口处，Astrella 脉冲通过 1 米焦距透镜聚焦到束腰直径约为 ~ 160 µm。由于来自 Astrella 放大器的高稳定性输入光束，系统一次重复运行多个小时，用户无需任何主动反馈或重新调整。
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 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 测量和优化的完美工具。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），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）。
如图 3 的数据图所示，这种紧凑且相对简单的设置提供了对 5 fs 脉冲宽度和毫焦耳级脉冲能量的一键式访问。获取演示的更多详细描述。
Coherent 宽带 EUV（12-50 nm）脉冲的便捷来源
当由放大的飞秒激光脉冲泵浦时，填充惰性气体的波导可针对高次谐波发生（HHG）进行配置和优化，以达到短波长范围，例如极紫外（EUV）。Coherent 和 K-M Labs 最近进行的合作测试表明，Astrella 的功率、稳定性和光束质量使其成为驱动高谐波发生（HHG）波导器件（例如 KMLabs XUUS4™ 系列）的理想选择。（与 HFC 脉冲压缩器一样，通过差分泵浦产生压力梯度，来实现优异的性能。）正如近几十年来激光器的发明彻底改变了科学和技术一样，EUV 和更短波长的桌面级相干激光源的发展可能会对在这些短波长下需要类似激光性能的科学和技术应用产生变革性影响。
图 4：用于生成 EUV 脉冲的装置示意图。插图显示 HHG 气体为氦气且优化输入脉冲能量为 6 mJ 时记录的 EUV 脉冲光谱。不同谐波的频谱带宽（FWHM）约为 0.75 纳米。
图 4 显示本次成功的 HHG 演示中使用的主要组件。使用 EUV 成像光谱仪和 EUV CCD 阵列检测器对 HHG 进行分析。当使用氩气作为填充气体时，输出由以 35 nm 的“近 EUV”为中心的多个谐波组成。当使用氦气时，输出集中在深紫外区的 13.5 nm 处。或者，波导可以填充一种较重的惰性气体（氙或氪），以产生更长波长的谐波。在所有情况下，HHG 的最优输入脉冲能量小于 Astrella 的输出脉冲能量，因而可选择其他研究方向进行组合实验，例如泵浦探测等类型研究。
EUV 光谱的形状（见图 4）是多种因素的结果，包括发射明亮且相位匹配的脉冲期间激光的峰强度、较长波长的再吸收惰性气体和铝滤波器的传输，用于抑制基波和低次谐波。获取 HHG 试验的更多详细描述。
总结
具有宽带宽、EUV 波长和/或超短（5 fs）脉冲宽度的相干 Coherent 已经存在相当长一段时间了，但以前获取这些脉冲参数所需的源的复杂性限制了它们只能在少数专业实验室使用，阻碍了广泛的应用。如今，一键式放大器和可靠但精密配件的使用，提供了极端飞秒脉冲，使阿秒物理到多维光谱学从中受益。