在100kHz重频下产生少周期脉冲平顶光泵浦光参量啁啾脉冲放大器，采用光束整形反射镜（反射匀化DOE）

光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术现已成为在可见光至中红外这一宽电磁波谱范围内，放大高平均功率超短脉冲的标准手段。本文提出了一种基于反射光束整形器（反射型衍射光束整形器）的高平均功率OPCPA系统，该系统可在800nm波段、100kHz重复频率下输出少周期脉冲，平均功率达40W（单脉冲能量0.4 mJ）。该系统的核心特征是采用一种新颖且简易的平顶泵浦光产生方案（光束整形反射镜），反射式平顶光束整形器（反射匀化DOE）能在实现高效泵浦光，信号光能量转换的同时，将时空畸变降至最低。实验还证实，该系统可实现60W的最大输出功率，仅脉冲质量略有下降。

一、引言

超短强激光脉冲在众多工业应用和科学研究领域中发挥着关键作用，例如激光粒子加速、生物技术以及多种时间分辨光谱学等。尤为重要的是，钛蓝宝石啁啾脉冲放大（CPA）激光系统的广泛应用，能产生毫焦级能量的飞秒脉冲，为高次谐波的产生提供了支撑，进而推动了阿秒时间尺度的时间分辨光谱学发展，使研究光激发或光电离过程中物质内电子的时间演化成为可能。这类实验大多将极紫外（XUV）波段的阿秒脉冲串（APT）或孤立阿秒脉冲（IAP），与可见光（VIS）或红外（IR）波段的同步强光场结合，该红外光场通常是驱动高次谐波产生（HHG）过程的激光场的一部分。泵浦 - 探测脉冲序列与研究靶标相互作用后，通过记录极紫外脉冲的瞬态吸收光谱，或产生的离子、电子的动量分布获取实验数据。

电子 - 离子符合探测技术（如冷靶反冲离子动量谱学，COLTRIMS）为这类传统实验方法提供了新的研究思路。符合探测要求激光系统具备高重复频率，这也是推动基于激光的高重复频率（≫10kHz）少周期高能量脉冲系统发展的部分原因，这类系统主要以掺镱啁啾脉冲放大器的非线性后压缩技术，以及掺镱啁啾脉冲放大器泵浦的光参量啁啾脉冲放大技术为核心。此前，马克斯・博恩研究所已研制出一套非共线光参量啁啾脉冲放大系统，可在800nm波段、100kHz重复频率下输出脉宽7fs、单脉冲能量190μJ的脉冲，该系统已成功应用于阿秒脉冲串和孤立阿秒脉冲的产生与表征，并在阿秒泵浦 - 探测光电离实验中得到验证。此外，冷靶反冲离子动量谱学装置已集成至阿秒泵浦 - 探测光束线中。高功率、高重复频率的光参量啁啾脉冲放大系统与冷靶反冲离子动量谱学装置的结合，为高分辨率研究气相样品的超快电子动力学提供了独特的实验平台。

但这类实验仍存在一定局限性：在极紫外泵浦、红外（或可见光）探测实验中，理论上由阿秒极紫外脉冲激发研究体系，红外光场仅用于探测体系的超快演化过程；而实际中，观测到的动力学过程不仅由极紫外泵浦脉冲驱动，红外脉冲的强场还会显著改变体系的演化，无法实现 “无干扰” 探测。为解决这一问题，阿秒科学领域的研究新趋势正朝着极紫外泵浦、紫外（UV）或真空紫外（VUV）探测的实验方向发展，此时泵浦和探测与体系的相互作用均为微扰单光子跃迁过程。该方案不仅能缓解上述强场干扰问题，单光子跃迁的探测方式还具有物理过程明确、选择定则更简洁的优势。此外，超短紫外或真空紫外脉冲可通过 “紫外 / 真空紫外泵浦 - 极紫外探测” 实验，实现对中性体系超快演化过程的研究。

由于高次谐波产生过程的固有效率极低，极紫外泵浦 - 极紫外探测实验直到近期才得以实现，且这类实验仍依赖相对高能量（毫焦级以上）的激光源。目前，产生超短（少飞秒级）紫外和真空紫外脉冲的两种方法已得到验证：一是充气空心毛细管中的共振色散波（RDW）发射，二是气体中的低次谐波产生。这两种方法对驱动脉冲的能量要求更低，更适合高重复频率运行。事实上，基于掺镱啁啾脉冲放大器后压缩技术驱动的共振色散波，已实现50kHz重复频率下可调谐深紫外脉冲的产生。同时，阿秒极紫外脉冲与少飞秒紫外脉冲的结合，也已在1kHz重复频率的泵浦 - 探测实验中得到应用。

本文研制了一套新型高重复频率、高能量脉冲输出的光参量啁啾脉冲放大系统，旨在为极紫外泵浦 - 紫外 / 真空紫外探测实验提供驱动源，从而拓展马克斯・博恩研究所配备符合探测的阿秒泵浦 - 探测光束线的实验能力。已有文献报道过800nm波段的高平均功率光参量啁啾脉冲放大系统，其中最具代表性的是：梅切基等人研制的系统在100kHz重复频率下平均功率达88W，自相关迹显示脉冲可压缩至16fs；赫里萨福夫等人实现了100kHz重复频率下22.5W功率、9.3fs脉宽的脉冲输出，且在35W高功率运行时未对脉冲进行表征。本文研制的光参量啁啾脉冲放大系统，可在800nm中心波长、100kHz重复频率下产生少周期脉冲，平均功率达40W，放大后的信号光场具有高时间对比度和低时空畸变量。本研究基于团队此前对时空像差的研究成果，采用新颖的平顶光束产生方案泵浦末级光参量啁啾脉冲放大级，使放大器在实现较高泵浦 - 信号光能量转换效率的同时，避免因饱和效应和逆转换效应导致光场时空特性退化。实验还证实，该系统可实现60W平均功率运行，但此时因逆转换效应，脉冲质量和时空均匀性会下降。

二、实验装置

本研究中光参量啁啾脉冲放大系统的整体架构已在前期研究中详细介绍，其原理示意图如图1所示。简而言之，一台倍频程钛蓝宝石飞秒振荡器（德国文特恩飞秒技术公司）作为光参量啁啾脉冲放大系统的种子源，同时利用二向色镜分离其光谱中1030nm附近的小部分光，耦合进光纤后作为掺镱啁啾脉冲放大系统（德国通快科学激光公司）的种子源；该掺镱啁啾脉冲放大系统的输出光经二次谐波产生后，作为光参量啁啾脉冲放大各级的泵浦光。

图1光参量啁啾脉冲放大器（OPCPA）原理框图

宽带种子光的光谱相位由4f脉冲整形器（美国生物光子学解决方案公司MIIPS 640P）预整形，以提升放大后的脉冲压缩效果。脉冲整形器输出端的空间滤波器可改善光束质量，随后由电动延迟线控制光参量啁啾脉冲放大各级中种子光与泵浦光的整体延时（图中未示出）。种子光脉冲随后被分为两路，一路注入光参量啁啾脉冲放大各级，另一路注入基于辅助光参量啁啾脉冲放大级的延时稳定系统。放大前，种子光脉冲通过5mm熔石英的材料色散展宽，在第一级光参量啁啾脉冲放大器输入端的脉宽（半高全宽，FWHM）约为500fs。

种子光随后在两级基于BBO晶体I类相位匹配的非共线光参量啁啾脉冲放大器中完成放大，其中第一级晶体厚度为2.5mm，第二级为3.4mm。光参量啁啾脉冲放大级的设计由Sisyfos光学科学模拟系统的数值模拟结果指导。

振荡器输出的1030nm种子光经光纤布拉格光栅展宽后，在三级光纤放大器中放大，再经薄片再生放大器放大，在100kHz重复频率下输出功率达200W；后续经薄片多通放大器进一步放大，可在100kHz 重复频率下实现1.5kW 以上的输出功率。与团队前期系统相比，该新增的多通放大器是提升光参量啁啾脉冲放大系统脉冲能量的关键。目前，受压缩器光栅尺寸限制，多通放大器的输出功率约为0.5kW；本研究所有实验结果均在1030nm 压缩光输出功率限制为415W、泵浦光脉宽为1ps（自相关法测量）的条件下获得。

压缩器输出后，泵浦光经半波片和薄膜偏振片分为两路：一路泵浦辅助光参量啁啾脉冲放大级和第一级光参量啁啾脉冲放大级，另一路泵浦第二级光参量啁啾脉冲放大级。辅助级和第一级共利用35W总泵浦光，经1.5mm BBO晶体倍频后，获得19.4W的二次谐波光（515nm）；该515nm光再经半波片和偏振片分光，其中1.9W用于泵浦辅助级，17.5W用于泵浦第一级光参量啁啾脉冲放大级。剩余的1030nm泵浦光则送入第二级光参量啁啾脉冲放大级，在倍频前先将光束从近似高斯分布整形为超高斯分布。

2.1 平顶泵浦光的实现方案（反射光束整形器）

采用平顶或超高斯分布的泵浦光（反射光束整形器），是高斯分布泵浦光之外泵浦光参量啁啾脉冲放大级的理想选择。由于放大器的增益在很大程度上由泵浦光峰值光强决定，反射式平顶光束整形器（反射匀化DOE）的平顶空间分布能使整个光场的增益更均匀。此前已有研究将平顶光束应用于高平均功率光参量啁啾脉冲放大系统的泵浦，而本研究采用单一光束整形反射镜（或反射匀化DOE，下称相位镜）的方案，反射式平顶光束整形器（反射型衍射光束整形器）为高峰值功率、高平均功率光束的整形提供了一种简易的新方法，光束整形反射镜（反射型衍射光束整形器）可直接用于光参量啁啾脉冲放大的泵浦光整形。

目前所有将高斯光束整形为平顶光束的方法（如非球面透镜、相位板、空间光调制器），其核心原理均为通过调制光场的空间相位，使光场在特定平面发生相长干涉，从而形成目标空间分布。这一原理可通过非球面透镜光束整形器的概念直观理解：使高斯光束的中心部分轻微发散、边缘部分轻微会聚，从而在工作平面形成均匀的光束分布。在激光材料加工等应用中，平顶光束的整形面为高数值孔径聚焦系统的焦平面；而在高能量光场的诸多应用中，超高斯光束的整形面则为空间相位调制后的自由传播面，本研究即采用该方案。

本研究中相位镜的设计遵循高能量千瓦级平均功率掺镱钇铝石榴石激光器的设计方法，其详细设计过程将另文发表。相位镜的相位分布基于改进的格奇伯格 - 萨克斯顿算法设计，通过Python开源库Lightpipes实现；设计和相关模拟过程中，充分考虑了啁啾脉冲放大系统光栅压缩器输出光束的近似尺寸，同时考虑了以下实际条件：1030nm光束经相位镜反射后进行倍频，随后515nm光束经缩束比为2的伽利略望远镜缩束，以在光参量啁啾脉冲放大晶体中达到所需的峰值光强。

图2为第二级光参量啁啾脉冲放大级泵浦光的光路示意图，文中后续将说明，伽利略望远镜（T）为后期实验新增元件。需注意，倍频晶体紧邻相位镜放置，该位置的光束分布与高斯分布无显著差异，且相位镜引入的光束发散角远小于二次谐波产生过程的接收角，因此整形后光束的倍频效率与常规高斯光束基本一致。值得注意的是，二次谐波产生过程中光场强度平方化、空间相位加倍，而波长减半，因此相位镜引入的相位面可完全保留；在高倍频转换效率下，二次谐波光束的尺寸趋近于基频光，其光束分布也与基频光近似一致，这一点在相位镜的设计模拟中已得到验证。该方案避免了更复杂的光路设计 —— 如在超高斯光束的整形面完成倍频，再通过中继成像将二次谐波光束传输至光参量啁啾脉冲放大晶体，而这类设计往往需要为成像望远镜配备真空管道。

图2第二级光参量啁啾脉冲放大级的光束整形、倍频及泵浦光路示意图。

PM：相位镜；M1、M2：望远镜反射镜；HS：谐波分离器；T：望远镜。

为使光参量啁啾脉冲放大晶体处形成目标光束分布，入射光束必须精准对准相位镜中心。本研究搭建了主动光束指向稳定系统，使光束在相位镜和光参量啁啾脉冲放大晶体上的位置保持恒定，确保平顶光束的分布稳定性，以及放大级中泵浦光与信号光的空间重叠稳定性。

在定制相位镜加工前，研究团队在该相位镜的设计单位 —— 法国强激光与应用中心完成了实验验证，以复现马克斯・博恩研究所的实验装置：以工业级掺镱啁啾脉冲放大器（法国振幅公司 Satsuma）为光源，将其1/e²束径为3.5mm的光束扩束至5.5mm；采用纯相位调制模式的空间光调制器（日本滨松公司液晶空间光调制器）替代相位镜，向入射高斯光束加载设计的相位分布，同时严格遵循相位镜的加工约束条件 —— 相位调制的最大2π弧度仅能离散为64个等级；空间光调制器后接入缩束比为2的望远镜，与图2的实验装置一致，并在望远镜后的不同位置记录光束分布。

图 3 的实验结果显示，光束从高斯分布逐渐演变为超高斯分布；随着传播距离增加，光束会出现环形结构，这也界定了可用于泵浦光参量啁啾脉冲放大级的光束传播距离范围。初步测试表明，超高斯光束分布在缩束望远镜后20cm至80cm的传播距离内可稳定保持，最佳整形位置约为50cm，与设计模拟结果高度吻合。

图3左侧：相位掩模的设计方案，展示在垂直坐标中心处沿 x 轴（水平方向）引入的相位分布；

右侧上图：法国强激光与应用中心（CELIA）验证实验中，缩束望远镜后不同传播距离处的光束成像，色标代表归一化峰值光强；

右侧下图：沿上图中红色虚线所示的光束切割线得到的光束剖面分布。

本研究的相位镜由以色列holo/or公司加工，其反射率＞99.9%，未检测到因吸收导致的热效应；热像仪测量结果显示，375W基频光入射时，相位镜的温升低于3K。图4为1030nm高功率基频光入射相位镜的光束分布（左图），以及第二级光参量啁啾脉冲放大级BBO晶体处515nm 二次谐波光的光束分布（右图）；结果显示，375W基频光入射时，二次谐波光的输出功率达240W，倍频效率为64%。

从图4可观察到，光参量啁啾脉冲放大晶体处的光束分布相较于高斯光束具有更陡峭的轮廓，尤其在水平（x）方向；但与图3的设计验证结果不同，该光束中心存在明显的强光斑。这一显著差异源于马克斯・博恩研究所啁啾脉冲放大系统多通放大器输出高功率光束的相位畸变和光束不对称性，其中垂直方向的光束尺寸更小（束径小于 5mm，而相位镜设计时的束径为5.5mm），导致衍射结构的照明区域减小，进而使光束垂直（y）方向的边缘轮廓变缓。除非特别说明，本文所述的光束尺寸均为二阶矩宽度（4σ）。

图4入射至相位镜的1030 nm光束分布（左图）、第二级光参量啁啾脉冲放大级BBO晶体处的515 nm光束分布（右图）。两种情况下，色标均表示1 ps脉宽对应的峰值光强，单位为吉瓦每平方厘米（GW/cm²）。侧边附图为沿 x、y 轴的光束剖面分布：蓝色曲线为沿对应垂直坐标积分得到的分布，橙色曲线为沿光束中心的切割线得到的剖面分布。

为改善泵浦光的光束质量，本研究在相位镜前增设了放大倍数为1.33的伽利略望远镜（即图2中的透镜望远镜T，实际由球面高反镜构成），该望远镜不仅能覆盖衍射元件的更大区域，还可微调入射至相位镜的波前；同时，将缩束望远镜至光参量啁啾脉冲放大晶体的距离增加至55cm。图5（左图）为优化后第二级光参量啁啾脉冲放大晶体处 515nm泵浦光的光束分布，其光强分布的均匀性显著提升，仅存在少量局部缺陷，这是由入射光束的非圆对称缺陷和衍射结构的残余调制导致。

图5（右图）对比了平顶光束和高斯光束的二次谐波功率随基频光功率的变化关系（高斯光束由常规高反镜替代相位镜获得），结果显示两种光束的倍频效率基本一致，观测到的差异均在测量精度范围内。需注意，由于入射至相位镜（及倍频晶体）的光束尺寸增大，二次谐波光的最大输出功率降至218W，倍频效率降至58%。

图5第二级光参量啁啾脉冲放大级晶体处经优化的泵浦光分布（左图）、二次谐波光功率随基频光入射功率的变化关系（右图）。左侧光束成像的色标表示1 ps脉宽对应的峰值光强，单位为吉瓦每平方厘米（GW/cm²），侧边附图为光束剖面分布。

三、光参量啁啾脉冲放大系统的性能

第一级光参量啁啾脉冲放大级由17.5W泵浦光泵浦，聚焦后光强约为50GW/cm²；种子光在放大级输入端的聚焦光斑尺寸略大于泵浦光。在2.5mm厚的BBO 晶体中，种子光从输入能量0.44nJ放大至9.3μJ，该放大级采用内部非共线角为2.5°的非共线结构，并结合走离补偿（WOC）几何布局，实现I类相位匹配。第一级放大级的增益高达2.1×10⁴，但泵浦 - 信号光的能量转换效率（又称提取效率）仅为5%；走离补偿几何布局的选择和低提取效率的设计，均为最大限度降低时空畸变。放大信号光的寄生二次谐波能量约为信号光的1%，该值通过长波通滤光片（美国索雷博公司 FGL645M）滤除寄生二次谐波后测量得到。

信号光经放大后，先扩束、准直，再传输至第二级光参量啁啾脉冲放大级。图6为第二级放大级输入端的放大信号光分布（左图），以及放大信号光的光谱（蓝色）与初始种子光光谱（红色）的对比（右图）；放大后的光谱覆盖了相位匹配的全带宽，约为700~1000nm。

图6左侧：第一级光参量啁啾脉冲放大级输出、入射至第二级的放大信号光分布，色标表示500 fs 脉宽对应的峰值光强，单位为兆瓦每平方厘米（MW/cm²）；

右侧：第一级光参量啁啾脉冲放大级的输出光谱（蓝色）与振荡器种子光谱（红色）的对比图。

3.1 高功率少周期脉冲输出

第二级光参量啁啾脉冲放大级同样基于3.4mm厚BBO晶体的I类相位匹配，内部非共线角为2.5°。首轮实验中，第二级放大级由图4所示的光束泵浦，泵浦光平均功率为240W，峰值光强超过50GW/cm²；研究团队分别测试了走离补偿（WOC）和非走离补偿（NWOC，切向相位匹配）两种几何布局下的放大器性能。经泵浦光与信号光的空间、时间重叠优化，以及晶体相位匹配角校准后，两种布局下的输出功率均达60W，对应增益因子为63，泵浦 - 信号光能量转换效率超过24%。

放大后的脉冲经色散镜组（英国激光量子公司DCM-11）、薄熔石英光楔压缩，并通过脉冲整形器微调光谱相位以优化压缩效果；压缩器前的半波片和薄膜偏振片用于控制输送至实验端的功率。采用SEA-F-SPIDER技术结合多剪切算法对压缩脉冲进行光束剖面的线扫描表征，以提升相位反演的稳健性。

图7为光束水平（x）方向（a、c、e、g 面板）和垂直（y）方向（b、d、f、h 面板）的脉冲反演结果，每列面板从上至下依次为：时空谱分布 | E (ω,u)|²（10次测量平均值，a、b）、10 次连续测量的积分光谱（红色）和反演光谱相位（绿色）（c、d）、时空分布 | E (t,u)|²（10次测量平均值，e、f）、对时空分布的空间坐标积分后得到的10次连续测量的脉冲波形（g、h）；其中积分区域为e、f面板中黑色虚线界定的范围，参数u代表x或y坐标，积分过程沿垂直于u的方向，在成像光谱仪输入狭缝的宽度范围内完成。

图7放大光束沿水平方向（左栏面板）和垂直方向（右栏面板）的空间分辨脉冲表征结果。自上而下，各子图依次为归一化时空谱分布 [图 (a)、(b)]、积分光谱与光谱相位 [图 (c)、(d)]、归一化时空分布 [图 (e)、(f)] 以及积分时域波形 [图 (g)、(h)]。

时空谱分布结果显示，光谱存在强烈的调制，且光谱形状随空间位置变化（尤其在光参量啁啾脉冲放大的走离平面，即水平方向）；空间积分后的光谱和光谱相位（c、d）表明，测量结果具有良好的稳定性和可重复性。宽光谱支撑了两个空间维度下亚7fs的脉冲输出，而时空分布显示脉冲波形具有空间依赖性，且存在多个卫星脉冲。尽管空间分布中心的脉冲脉宽约为9fs（e、f），但水平和垂直方向的空间积分脉冲脉宽分别为9.8fs和11.3fs（品红色曲线为傅里叶变换极限脉宽，FTL）；此外，卫星脉冲结构在水平和垂直方向的时域展宽均约为300fs。对图7（g）和（h）的脉冲脉宽取平均值，得到平均脉宽为10.55fs，对应载波频率381THz下的4个光学周期。

经半波片、偏振片、压缩器和四片介质增强银镜后，测量得到的压缩光输出功率为48W。值得注意的是，尽管利用脉冲整形器优化了光谱相位以提升脉冲压缩效果，但该过程仍具有较大挑战性。本研究的脉冲压缩策略为：先通过色散镜和材料色散最大限度补偿色散，再利用SEA-F-SPIDER技术表征残余光谱相位，最后根据测量的相位在脉冲整形器中加载校正相位；该简易方法在团队前期研究中已被证实有效。

在本实验的脉冲表征过程中发现，加载相位掩模并不能直接实现最优压缩，因为加载的相位会显著改变放大过程。经过多次尝试，研究团队加载三阶多项式校正相位后，筛选出一组合适的群延迟色散（GDD）和三阶色散（TOD）参数，实现了图7所示的脉冲压缩效果。这一现象源于近场光束中心的强饱和效应和逆转换效应，相关数值模拟结果将在补充材料1中详细说明；在此条件下，脉冲整形器引入的微小光谱相位校正，都会导致放大脉冲发生显著变化。研究团队对走离补偿几何布局也进行了脉冲表征，得到了定性相似的结果（未展示）。

3.2 泵浦光优化后的光参量啁啾脉冲放大系统性能

第二轮实验中，研究团队通过增设望远镜优化了第二级放大级的泵浦光路，改善了平顶泵浦光的质量（如前文所述），优化后的泵浦光分布如图5所示。由于入射至倍频晶体的光强降低，泵浦光功率降至218W，峰值光强降至 44GW/cm²，但光强在光束剖面上的分布更均匀。

本小节的实验中，入射至第二级放大级的信号光功率降至830mW（单脉冲能量8.3μJ），这可能由第一级放大级的光路准直偏差导致；但值得注意的是，由于第二级放大级处于饱和工作状态，种子光功率的变化对其输出特性的影响极小。除泵浦光特性优化外，第二级放大级的所有参数均与 3.1 节保持一致。在此条件下，走离补偿（WOC）和非走离补偿（NWOC）布局下的最大输出功率分别为45W和48W，对应泵浦 - 信号光提取效率分别为20.3%和21.6%。需说明的是，热效应对放大器性能的影响极小（详见补充材料1）。

图8为非走离补偿布局下的输出功率随时间的变化曲线，该测量在光参量啁啾脉冲放大系统无间断运行120分钟后开始，以避免记录到显著的功率漂移。

图8 非走离补偿（NWOC）几何布局下的输出功率随时间变化曲线

泵浦光优化后，系统的输出功率略有下降，但脉冲压缩质量得到大幅提升。图9为非走离补偿布局下，利用 SEA-F-SPIDER技术的脉冲表征结果，同样对光束的垂直和水平方向进行剖面分析，面板（a）至（h）的内容与图 7 一致，分别为时空谱分布、积分光谱、时空分布和积分脉冲波形。本实验的脉冲压缩过程中，通过12对DCM11色散镜的反射实现色散补偿，移除了熔石英光楔，仅通过脉冲整形器完成色散的精细调节。

与3.1节的实验结果形成鲜明对比的是，本实验仅通过一次光谱相位测量，即可设计出适用于脉冲整形器的相位掩模。尽管放大后的光谱相较于图7更窄，但图9（a-d）的光谱几乎无调制，且具有良好的空间均匀性。这一结果与团队前期关于超高斯泵浦光的提取效率和饱和效应的研究结论一致：在相同的泵浦 - 信号光提取效率下，与高斯泵浦光相比，超高斯泵浦光放大的系统因饱和效应和逆转换效应导致的时空退化显著更弱；补充材料1中将通过高斯和超高斯泵浦光的光参量啁啾脉冲放大三维模拟，进一步验证该结论。

图9放大光束沿水平方向（左栏面板）、垂直方向（右栏面板）的空间分辨脉冲表征结果。自上而下，各子图依次为归一化时空谱分布 [图 (a)、(b)]、积分光谱与光谱相位 [图 (c)、(d)]、归一化时空分布 [图 (e)、(f)] 以及积分时域波形 [图 (g)、(h)]。

图9（c）和（d）的反演光谱相位在所有情况下均表现平滑，低调制的光谱与平滑的光谱相位结合，使输出脉冲的时域波形具有更高的对比度。本实验中傅里叶变换极限脉宽（7.9fs~8.6fs）显著长于图7的结果，这是因为放大光谱受相位匹配条件限制，尚未被饱和效应展宽（详见补充材料1）。空间坐标积分后的压缩脉冲，在水平和垂直方向的脉宽分别为10.9fs和10.1fs，且脉冲具有高时间对比度，在±50fs的时域范围外未检测到有效光能量。脉冲的平均脉宽仍为10.5fs，对应载波频率388THz下的4.1个光学周期。

图9（e）中观测到的脉冲前倾斜，可能由非共线角与“幻角”的微小偏差导致的残余角色散引起；由于 SEA-F-SPIDER技术在远场测量，光场的角色散表现为图9（a）中的空间啁啾。

非走离补偿布局下，压缩器的总传输效率约为85%（包含半波片、偏振片、24次DCM11色散镜反射和两片增强银镜的损耗）；走离补偿布局下的脉冲反演结果与非走离补偿布局定性相似（未展示），但因寄生二次谐波的存在，额外增加了1.5%的损耗。考虑上述损耗后，非走离补偿和走离补偿布局下的最大压缩光输出功率分别为40.7W和37.5W。

图10为非走离补偿（左图）和走离补偿（右图）布局下放大信号光的近场分布，为第二级光参量啁啾脉冲放大级BBO晶体输出面的1:1成像结果；两种布局下，输出信号光均继承了泵浦光的平顶分布特征。对于大多数应用而言，远场分布（或聚焦元件焦平面的光束分布）比近场分布更具实际意义。图11为图10近场光束经聚焦后的远场分布：光束从光参量啁啾脉冲放大晶体传播1m后，由焦距0.5m的透镜聚焦，相机放置在透镜焦平面记录光束分布。

图10非走离补偿（NWOC）构型下（左图）和走离补偿（WOC）构型下（右图）放大信号光的近场成像。侧边附图为沿光束中心的剖面分布及沿某一坐标积分得到的分布。色标为假设脉宽600 fs时的光强，单位为GW每平方厘米（GW/cm²）。走离方向沿x轴。

图11非走离补偿（NWOC）构型下（左图）和走离补偿（WOC）构型下（右图）放大信号光的远场成像。侧边附图为沿光束中心的剖面分布及沿某一坐标积分得到的分布。色标为假设脉冲压缩后脉宽10fs时的光强，单位为太瓦每平方厘米（TW/cm²）。红色虚线为空间剖面的积分区域，用于估算主光斑的能量占比。走离方向沿x轴。

远场光束的主聚焦光斑周围存在微弱的旁瓣，这是平顶光束的典型特征；非走离补偿和走离补偿布局下，主光斑的能量占比分别为84%和82%。非走离补偿布局下，泵浦光与放大信号光的位移更大，导致光束在走离方向的拉伸程度相较于走离补偿布局更显著，这一特征在远场表现为：非走离补偿布局下光束的椭圆度高于走离补偿布局。本文采用1/e²束径（2w）表征光束尺寸，仅描述主光斑的大小，排除旁瓣的影响。尽管光束存在轻微的椭圆度和外围环结构，但两种布局下的远场光束质量均表现优异，完全满足本系统的预期应用需求。

四、结论

本文研制了一套工作在800nm波段、100kHz重复频率的两级高功率光参量啁啾脉冲放大系统，其核心创新点为第二级放大级采用新颖的平顶泵浦光产生方案。该系统可输出平均功率达40W的少周期脉冲，且脉冲具有高时间对比度和均匀的时空谱、时空分布；放大信号光的近场分布继承了泵浦光的分布特征，远场分布符合预期应用的要求。本系统将作为极紫外阿秒脉冲与紫外/真空紫外少飞秒脉冲结合的电子 - 离子符合探测泵浦 - 探测实验的驱动源，为相关研究提供支撑。

文章来源：H. Kassab, V. Fortin, M. Lavastre, L. Oppermann, G. Arisholm, T. Witting, M. J. J. Vrakking, S. Petit, and F. J. Furch, “Few-cycle pulses with 40 W average power at 100 kHz from a flat-top pumped OPCPA,” Optics Express, vol. 34, no. 1, pp. 894–907, 2026, doi: 10.1364/OE.580825.