通过单块均匀薄片后压缩实现高能1.53周期脉冲

为什么压缩光脉冲很重要

持续仅数千亿分之一亿分之一秒（即飞秒量级）的光脉冲已成为前沿研究的基础——从观察电子运动到驱动紧凑粒子加速器均依赖此类脉冲。本文展示了一种将这类闪光进一步缩短的方法——缩到仅略多于光波一个周期的时长——同时保持较高能量和良好光束质量。用一块简单的玻璃代替笨重复杂的装置，有望让全球更多实验室便捷地获得用于研究物质最快时间尺度的极端光源。

把长闪变成短爆发

作者从一台先进的激光系统开始，该系统输出非常短且高能的脉冲：5毫焦能量压缩在7.7飞秒内，波长接近800纳米。他们没有让光束通过长气体细管或复杂光路，而是把一束宽而平顶的光束送入仅1毫米厚的单块熔融石英薄片。光脉冲在玻璃中传播时，由于强度作用会轻微改变材料的折射率，从而在时间上改变光的频率（自相位调制）。这种自诱导效应将脉冲的光谱扩展到更宽的波段，理论上可以把脉冲在时间上压缩得更短。

受控展宽而无混乱副作用

当脉冲过度展宽时，光谱可能变得参差不齐，难以干净地重新压缩。在这里，研究团队刻意在适中 regimes 操作：光谱最多扩展约三倍，但仍保持平滑，仅有极小的波动。在最极端的设定下，光谱理论上可支持短至约2.8飞秒的脉冲——刚好略超过光场的一个周期。为便于实际运行，他们选择了略低强度的展宽，这仍能产生亚4飞秒的脉冲，同时避免对玻璃施加长期高强度应力。

压缩并测量光波

穿过薄片后，展宽的脉冲被送入由特殊设计的镜子和薄玻璃楔片组成的紧凑压缩器，这些元件为不同颜色引入适当的延迟。研究者使用基于产生二次谐波并扫描色散的精确测量技术来重构脉冲的时间形状。他们展示了最短可达3.8飞秒的脉冲，相当于约1.5次光场振荡，同时保留了约三分之二的理想峰值功率。一个将光束视为空间均匀的简单计算模型成功再现了测得的光谱和主要脉冲特性，表明这一复杂过程可用相对简单的计算来捕捉。

保持光束清洁且可聚焦

超短脉冲只有在能被紧密聚焦到目标上时才有用。固体中的高强度光容易扭曲光束形状，但平顶输入剖面有助于使展宽后的光谱在横向上几乎保持一致：空间‑光谱均匀性仍优于97%。作者还分析了波前——光束相位的精细形状，发现虽然出现了一些畸变，尤其是像散，但这些畸变基本可以用可变形镜进行校正。当启用自适应光学后，光束的焦点质量以斯特鲁赫尔（Strehl）比表示，在强非线相互作用后仍可达到0.88，意味着大部分能量仍集中在一个锐利的中央斑点中。

这对极端光学科学意味着什么

该研究表明，单块薄玻璃即可将本已短且高能的脉冲转换为近单周期的爆发，同时保持光束平滑且易于聚焦，这为走向更强的“少周期”光源提供了一条紧凑路线。此类脉冲在气体中产生阿秒闪光以及驱动高效的等离子体粒子加速器时尤其有价值，因为随着脉冲长度缩短，性能会显著提升。由于该装置自然可扩展到更高能量且能用简单模型描述，它为希望构建下一代超短高能激光系统的实验室提供了实用蓝图。

引用: Jansonas, G., Karvelis, D., Gadonaitė, P. et al. High energy 1.53-cycle pulses via homogeneous post-compression in a single thin-plate. Sci Rep 16, 10452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40980-y

关键词: 超短激光脉冲, 光谱展宽, 薄片后压缩, 阿秒科学, 激光‑等离子体加速