伯克利实验室混合不同光纤激光器形成超短脉冲

近日，美国加州伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部的一个研究小组开发出了一种新技术，将不同波长的光纤激光器组合在一起，产生超短激光脉冲。该团队表示，这项工作可以推动激光等离子体加速器（LPA）的发展，LPA有可能推动高能物理的前沿发展，并促进材料科学、核聚变研究和许多其他领域的发现。

LPA使用穿过等离子体的强烈、超快激光脉冲来加速带电粒子，速度比现有的技术快一千倍。与传统加速器相比，这种设备结构更紧凑，功能更强大，建造和运行成本更低。目前，这项研究已经在《光学快报》上发表。

研究科学家Tong Zhou（左）和Siyun Chen在ATAP的光纤激光实验室研究多光纤激光器的光谱组合

目前，大多数LPA使用的激光脉冲重复率仅为几赫兹。然而要充分发挥LPA的潜力，就需要能够产生重复率在千赫兹或更高的超短、高能激光脉冲的大功率激光系统。这些限制对产生这种脉冲的激光系统提出了苛刻要求。因此，研究人员将目光转向了光纤激光器。光纤激光器是迄今为止被业界证明是最高效的高功率激光技术，而且还具有广泛的工业发展前景，可以在这项研究工作中加以利用。

虽然光纤激光器产生的脉冲能量和功率，可以通过在空间和时间上组合多个脉冲来放大，但这些脉冲目前仅限于100fs左右，不够短，无法驱动LPA。研究团队表示，虽然光纤激光器系统具有最高的壁插效率（电光功率效率），但在这些系统中放大的超短激光脉冲频谱却很窄。

光谱组合

这种增益收窄是激光脉冲以这种方式放大时产生的基本效应；脉冲光谱越窄，持续时间就越长。因此，高功率光纤激光器要产生短于约100fs的脉冲非常具有挑战性。然而，通过对在相邻波长范围内工作的多个激光脉冲进行光谱组合，研究团队实现了超宽组合光谱，能够支持数十飞秒的超短脉冲。

为了增加带宽并产生数十飞秒长的脉冲，研究人员首先使用了一个锁模振荡器和掺镱光纤放大器，以100MHz的重复频率产生120fs的脉冲。这些脉冲被送入光子晶体光纤，光谱从27nm扩大到90nm。

压缩后测量到的自相关轨迹和计算出的组合频谱

这种超宽带光谱组合与合成脉冲整形产生的脉冲持续时间只有42fs，大大短于三条光纤通道各自产生的脉冲。这是迄今为止光谱组合镱光纤激光系统实现的最短脉冲持续时间。虽然这项工作展示了迄今为止能量较低的超快脉冲，但它展示了超宽带光谱组合和相干光谱合成脉冲整形的关键原理，并为使用光纤激光器驱动LPA提供了前进的道路。

之后，该团队计划增加更多的放大级，并实施能够在空间、时间和光谱上组合光纤激光器的多维技术，以产生高能量的数十飞秒激光脉冲。