随着高功率超快激光技术的快速发展，如何在保持高平均功率与高重复频率的同时获得超短脉冲，是推动高次谐波产生、强场科学、太赫兹源、激光加速以及材料超快动力学研究的重要前提。掺镱碟片放大器能够轻松实现毫焦级脉冲能量与数十瓦至千瓦级平均功率，但其固有增益带宽较窄，使输出脉宽通常限制在数百飞秒量级。为了突破这一瓶颈，利用多通腔结构（MPC）实现非线性光谱展宽、再通过色散补偿获得更短的压缩脉冲，成为近年的主要研究方向。论文[1] 系统比较了气体介质和固体介质两种MPC非线性展宽策略，对于构建紧凑、可扩展且具高稳定性的高能量飞秒压缩系统具有重要意义。如图1所示，10 mJ、50 W、465 fs脉冲经望远镜系统缩束后进入由24面高反曲面镜组成的MPC，腔内充入280 mbar氩气。腔内焦点直径约为0.33 mm，每个焦点可累积约1.7 rad 的 B 积分，脉冲经过25次折返后实现了显著的光谱展宽。

图1 气体多通腔实验装置[1]在色散补偿后，脉宽成功压缩至 33.6 fs（变换极限脉宽为32.9 fs），传输效率高达 98%（如图2所示）。图2 气体多通腔压缩脉冲和光谱[1]图3 展示了其优异的空间质量（M²=1.23×1.30）、拥有>90% 的光谱均匀性。图3 气体多通腔输出光束质量和空间光谱均匀性[1]   

图4展示了光谱在 180 分钟运行期间保持极高稳定性，其傅里叶变换极限脉宽仅在32.6±0.1 fs范围内波动，峰谷偏差仅1.3fs，体现了系统在长时间工作下的高度可靠性，表明基于气体的方案在高能条件下具有成熟且可靠的性能[1]。

图4 光谱稳定性[1]为了减少系统体积、避免电离限制、并提高可扩展性，论文进一步提出将MPC内的非线性介质改为固体熔融石英薄片。图5所示的单通方案中，共放置24片厚度0.8 mm的熔融石英，总B积分约16 rad。经压缩后，脉宽减少至83.6 fs（变换极限脉宽为82.2 fs），光束质量维持在 M²=1.33×1.37。

图5 块状单通固体多通腔实验装置进一步地，为缩短压缩脉宽，论文构建了图6所示双通块状固体MPC，将焦点数量提升至53个，总B积分约为35.5 rad，脉宽最终被压缩至49.5 fs（变换极限脉宽为47.5 fs），输出能量为8.5 mJ，对应整体光学效率约 85%。光束的空间光谱均匀性仍保持在90%以上，对应的空间质量为M²=1.47×1.32。此外，系统在长时间运行中表现出良好的光谱稳定性，其傅里叶变换极限脉宽在数小时监测中仅呈现49.5±0.3 fs的微小波动，峰谷变化约为2.4 fs。这些结果表明，尽管通光次数增多导致一定能量损耗，但基于块状固体的展宽策略在10 mJ能量操作下仍能实现高质量、可压缩的宽带光谱输出。

图6 双通块状固体多通腔实验装置论文系统展示并比较了气体与固体MPC在10 mJ高能飞秒脉冲压缩中的表现。气体MPC方案能够提供极高的展宽效率和优异压缩质量；固体MPC方案可支持多mJ量级的高能量压缩，且通过双通设计可实现接近气体方案的压缩性能。研究表明固体MPC有潜力进一步扩展至百毫焦级压缩系统，为未来紧凑型高能飞秒光源的发展提供了可行路径。参考文献：[1] Jonas Manz, Gaia Barbiero, Sandro Klingebiel, Michael Rampp, Catherine Y. Teisset, Haochuan Wang, Dominik Ertel, Ronak N. Shah, Martin Hoffmann, Clara J. Saraceno, and Thomas Metzger, "Gas- and bulk-based nonlinear pulse compression of 10 mJ and 50 W pulses of an ultrafast thin-disk amplifier," Opt. Express 33, 24413-24428 (2025)

       原文标题 : 超快非线性光学技术之八十二 基于气体和块状介质的超快碟片放大器 10 mJ、50 W 脉冲的非线性脉冲压缩