在超快激光应用中，高时间对比度与短脉宽是实现高精度激光–物质相互作用的关键参数。尽管多通腔（MPC）非线性后压缩技术已广泛应用于高功率飞秒激光系统，其大压缩比（>10）通常伴随显著的基座的生成，对精密实验构成潜在干扰。
德国电子同步加速器（DESY）研究团队提出了一种基于非线性椭圆偏振旋转（NER）方法，用于提升后压缩脉冲的时间对比度[1]。在光学克尔效应作用下，当飞秒激光以椭圆偏振入射时，其高强度部分的非线性相位积累量大于低强度部分，导致偏振椭圆发生旋转。将此旋转效应引入两个交叉偏振器之间，可在输出端有效“筛除”低强度的脉冲边缘或基座，保留主峰，形成时间清洁。
该方法已被用于多种激光系统中，但此前多聚焦于压缩前的脉冲清洁。本研究则将NER引入至MPC系统内部，与压缩过程共同进行。图1展示了该方案的基本光路结构，其中QWP1和QWP2分别用于引入椭圆偏振与转换偏振方向，POL2用于滤除未发生非线性旋转的信号。
图1 NER与MPC后压缩结合的光路结构图[1]
为了对NER效应进行定量分析，研究者推导出一个解析模型，明确描述了非线性相位与两个四分之一波片（QWP1、QWP2）角度（、）对NER效率 η 的关系，揭示了NER对参数变化的高度敏感性。
实验采用中心波长为1030 nm、能量为115 μJ的1 ps脉冲，进入由三个1 mm厚熔石英板构成的MPC中，进行31次往返后耦出，压缩前B积分约为30 rad。四分之一波片通过电动旋转支架实现精细调节，研究团队扫描全部角度组合，以验证解析模型预测的NER效率（见图2）。
图2 NER效率随四分之一波片角度变化情况： (a) 实验结果；(b) 模拟结果；(c) 时间对比提升（对数刻度）[1]
模拟与实验结果高度一致，表明在QWP1与QWP2正交放置的条件下可实现最佳效率。在该条件下，理论对比度提升超过五个数量级。然而，轻微偏离该角度会显著降低对比度，因此波片角度调节精度对NER效果至关重要。
由于后压缩过程中新生成的基座常出现在脉冲压缩后，NER对其直接抑制存在一定局限。因此，研究者进一步建立一维MPC模型，在考虑自相位调制与自陡峭效应下模拟光谱展宽，并结合解析模型分析非线性偏振旋转对压缩脉冲的影响（见图3）。
图3 QWP角度调节对输出谱宽、效率及时间形状的影响（模拟）[1]
结果显示，调节QWP角度可有效控制两个正交圆偏振分量在展宽过程中的谱宽差异，进而调控压缩后脉冲的时间结构。在最大效率设定点P1下可获得70%的NER效率，但基座仍显著；而在点P2下尽管效率下降，压缩后±150 fs处的预脉冲被有效抑制。
最终，研究团队使用二次谐波FROG表征压缩后的脉冲。光实验结果如图4所示，QWP角度变化可显著影响谱形与压缩后时间分布，进一步验证了NER光谱整形–MPC脉冲压缩协同调节机制的有效性。
图4 QWP角度调节对输出谱宽、效率及时间形状的影响（实验）[1]
实验中获得的最高效率为39%，对应压缩脉冲宽度为70–90 fs，压缩因子约为11–14。尽管未针对每组角度优化色散补偿，但整体残余相位较小，压缩质量稳定。整体结果表明，可通过NER角度设定，在对比度与效率之间实现合理权衡。
本研究系统地展示了如何通过引入非线性偏振旋转，实现对后压缩脉冲的谱整形与时间对比度调控。实验与模型结果表明，通过调节波片角度可显著改善压缩后主脉冲附近的基座，提升对比度。尽管较高对比度通常伴随一定效率损耗，但对于泵浦–探测类实验等注重主脉冲清洁性的应用场景，此类方案具备良好的适用性。此外，NER实现依赖元件少，仅需波片与偏振器即可集成至MPC系统中，对现有激光平台具有良好兼容性。
参考文献：
[1] E. Escoto et al., Improved temporal characteristics for post-compressed pulses via application-tailored nonlinear polarization ellipse rotation, Opt. Lett. 49, 6841–6844 (2024).