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极紫外自由电子激光中的啁啾脉冲放大

发布时间: 2017-08-20 14:56:35   作者:本站编辑   来源: Nature Communications   浏览次数:

                                                                                                      

  在短波长自由电子激光(FELs)中产生超短脉冲的多种方法里,输出脉冲的能量都受限于放大过程中电子数量的减少。直到最近的几个理论方案才提出将峰值功率提高到太瓦量级的方法,然而这些方法中的脉冲压缩仍然受到FEL增益带宽的限制。除此以外,产生的激光的时空特性也无法得以控制。另一个可以产生高峰值功率超短脉冲的方法借助于激光在气体中的谐波。然而由于存在截止能量,气体中的谐波产生在高能谱范围内相比FEL并没有任何优势。

  在引入种子激光以及产生n次谐波的FEL中使用啁啾脉冲放大(CPA)技术可以克服上述的限制。CPAFELs中的工作原理如图1所示。正如在常规激光装置中一样,CPA借助放大前的线性频率啁啾将种子脉冲在时域上展宽,从而在整个电子束中提取能量,因此能够显著提高FEL脉冲的饱和能量。此外,在CPA模式下的种子源FEL带宽也将随谐波阶数n的增大而增大。该增长可以通过匹配电子束中的能量啁啾与FEL的谐振条件来维持。这使得有限FEL增益带宽的限制被解除,同时也使可获得的最短FEL脉宽超过光学压缩方法范围。

  1 CPA模式下的种子源自由电子激光

  CPA机制是在FERMI FEL装置上完成的测试。其种子光来源于钛宝石激光(λseed=261nm)的三次谐波。种子脉冲的半高全宽(FWHM)带宽为0.7nm以及展宽前的脉宽为170fsFEL被调谐到37.3nmn=7)。图一所示的压缩装置由两片均匀刻线的平面光栅以掠入射角相对摆放。压缩装置将引起一个负的啁啾来补偿FEL脉冲中的正啁啾。

  首先对未展宽种子激光以及压缩FEL的情形下的FEL谱和脉宽进行标定。测量得到FWHM谱宽以及脉宽分别为5.2×1013rads-13.8×10-2nm),91fs。值得注意的是此处时间带宽积是转换极限的1.7倍。这个差异来源于FEL中由种子光的初始啁啾以及电子束能量时间谱的二次啁啾带来的多余的啁啾成分。然后进入CPA模式,在种子脉冲中引入一个正的线性频率啁啾并展宽到290fs,再比较压缩前后的FEL脉冲。通过测量五次独立单发实验的结果,得到平均的FWHM谱宽6.05×1013rads-14.46×10-2nm)。该结果与理论预测值也十分相近。可以得到在无压缩情形下的FWHM脉宽约为143fs,这与理论预期值152fs也十分接近。FEL脉冲带宽相较于种子光的增长也正是CPA在种子源FEL中的意义所在,它使经过压缩后的FEL脉宽相比未压缩时显著的缩短。在本文报道的案例中,最短脉宽约等于50fs,该测量值现在仅仅是转换极限的1.1倍。这个结果表明CPA技术不仅仅可以补偿FEL脉冲中由控制种子光引起的线性频率啁啾,还能补偿由诸如种子光传输以及电子束能谱二次曲率等其他来源引起的多余啁啾成分。

  摘译自: Chirped pulse amplification in an extreme-ultraviolet free-electron laser, Nature Communications. 7 13688 (2016)

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