Near single-cycle pulse generation using a cascaded all-bulk multi-pass cell compression system
本文通过实验证明，通过级联两个用于光谱展宽和压缩的体块多通池，可以产生波长为 1058 nm 的高质量、近单周期（5.5 fs）光学脉冲，且即使在峰值功率显著超过熔融石英自聚焦临界功率的情况下，仍能实现稳健的性能。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图拍摄一张蜂鸟在空中振翅飞舞时的照片。为了做到这一点，你需要一个足够快的相机闪光灯，以便在单一、清晰的瞬间冻结住运动。在物理学世界中，科学家们正在尝试做同样的事情，只不过他们捕捉的不是鸟翼，而是原子内部电子的舞动。为了捕捉这些微小粒子的运动，他们需要比一万亿分之一秒还要短的光脉冲。脉冲越快，电子生命瞬间的图像就越清晰。
几十年来，科学家们一直在制造激光器，使其充当这些超快闪光灯的角色。但问题在于：他们能轻易制造出的激光器就像一台慢动作摄像机。它们产生的光脉冲在时间上是“长”的——数百飞秒（一飞秒是一千万亿分之一秒）。要获得观察电子清晰运动所需的超短“单周期”闪光，科学家必须将这些长的脉冲挤压得极其紧凑且短促。这就像是将一根长而松弛的橡皮筋拉伸，使其变得极薄，然后猛地收缩，使其变成一个微小而强力的弹簧。挑战在于，如何在不让橡皮筋断裂或缠结的情况下完成这一过程。这篇论文介绍了一种巧妙的新方法，旨在将光挤压成最短的形状，而不使其破碎。
论文：将光挤压至单周期
在这项研究中，来自瑞典隆德大学的一个研究小组制造了一台机器，用以执行这种极端的“光挤压”动作。他们从一个时长为 220 飞秒的标准激光脉冲开始——这已经非常快了，但对于观察最快的电子运动来说仍然太长。他们的目标是将这个脉冲压缩到仅有几个光的“周期”，这是脉冲所能达到的绝对最小长度。
把激光脉冲想象成一长串手拉手的人组成的摇晃队伍。要让队伍变短，你需要把人们拉得更近。科学家们使用了一个特殊的“挤压盒”，称为多通池（Multi-Pass Cell, MPC）。想象一个有两个镜子位于相对墙壁上的房间。光会在两个镜子之间来回反射多次。在这个房间里，放置着厚玻璃板。每当光撞击玻璃时，它都会受到一个特殊的“推力”，从而拉伸其颜色，使其在色彩上变宽，但在时间上变短。
该团队不仅使用了一个挤压盒，而是连续使用了两个，就像一场接力赛。
- 第一次挤压： 220 飞秒的脉冲进入第一个盒子。在经过玻璃 11 次反射后，它变成了 50 飞秒的脉冲。它变短了很多，但仍然不够快。
- 第二次挤压： 这个较短的脉冲随后进入第二个盒子。在这里，科学家们调高了功率旋钮。他们如此剧烈地推动光，使其强度达到了数百倍于通常会导致玻璃产生异常现象（一种被称为“自聚焦”的现象）的水平。通常，如此剧烈地推动光穿过玻璃，就像驾驶赛车穿过泥坑；你会预料赛车会陷入其中或泥浆四溅，毁掉整个过程。
重大发现
研究人员曾担心，如此剧烈地推动光会导致光束失真，使其变得混乱且无用。他们一直在寻找“时空耦合”（spatio-temporal couplings），这是一种高级说法，意指“光在空间和时间上变得扭曲和纠缠”。但令人惊讶的是：并没有出现任何问题。
尽管承受了极高的功率，光线从第二个盒子出来时依然完美且纯净。团队测量了最终的脉冲，发现它仅为 5.5 飞秒长。在他们使用的特定光色（1058 纳米）下，这相当于仅 1.6 个光波周期。这是他们使用这种特定的“全体相”（all-bulk，即纯固体玻璃，非气体）方法所实现的最短脉冲持续时间。
为什么这很重要
这篇论文证实了这种方法运行得非常出色。他们从各个维度检查了脉冲：
- 时间： 他们测量了长度，发现它确实如预期般短促（5.5 fs）。
- 空间： 他们检查了光束的形状，发现它仍然是一个完美的圆形，而不是扭曲的斑块。
- 颜色： 他们检查了颜色，发现脉冲包含了一个巨大且平滑的光谱彩虹，没有任何奇怪的间隙或扭曲。
团队使用了一种由铥镓砷（InGaAs）制成的特殊相机，用以观察普通相机无法捕捉到的颜色（高于 1100 nm 的部分）。这使他们能够看到全貌，证明了脉冲在整个超宽光谱范围内都具有高质量。
核心结论
论文表明，你可以通过让标准激光器穿过两级充满玻璃的反射镜，将其压缩成单周期脉冲，而不会破坏光束。尽管他们将玻璃推向了极限，光线依然保持了有序和强大。最终脉冲携带 40 微焦耳的能量，足以用于后续实验。
作者指出，这种装置是一种紧凑、稳健且高效的方法，用于制造进行“强场”实验所需的超快光。这包括产生极紫外光，甚至是产生阿秒脉冲（比飞秒还要短），从而实时观察电子的运动。虽然他们注意到由于未涂层玻璃板的存在仍存在一些能量损失，但该方法证明了固体玻璃可以处理创造地球上最快光脉冲所需的极端功率。
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