增强腔是一种光学腔体（谐振器），用于谐振增强光功率或强度：如果入射光与腔体共振并且与腔体模式匹配，则腔内功率可能远远高于入射功率，特别是对于具有高精细度的腔体，并且该方面通常用于某种目的——通常， 实现高效的非线性变频。腔体的形貌可以是线性腔体或环形谐振器的形貌。

增强谐振器可以包含其他光学元件。例如，非线性晶体可用于高效的非线性频率转换，例如倍频[1]或和频产生。例如，图1显示了一个单片倍频器，如参考文献[5]中更详细描述的那样。它由一个非线性晶体组成，端面上有介电涂层，使泵浦波（红色）谐振。在右侧提取倍频光。即使非线性过程只转换一小部分循环光功率，谐振器也允许对未使用的光进行某种回收。如果实现阻抗匹配，即输入镜像传输等于所有其他谐振器损耗，则转换效率非常高。

单片倍频器

图 1：单片谐振倍频器，弯曲端面有介电涂层

通过使用泵浦波和二次谐波共振的双谐振方案，即使在更低的功率（几毫瓦）下，倍频也可以有效。 然而，双共振通常很难维持。谐振倍频不应与腔内倍频相混淆，后者将非线性晶体放置在激光腔内高效谐振增强的条件

为了增强腔的高效运行，必须考虑以下几个因素：

1.共振条件通常只适用于单频光或频率梳（见下文）。共振条件要求谐振器的长度必须在一个光波长的几分之一范围内。电子反馈回路通常用于在较长时间内保持共振。这种反馈回路可以调整激光器的光学频率，使之与腔体频率相匹配，也可以通过谐振器镜面下方的压电致动器等方式调整腔体长度。需要注意的是，高精细空腔可以提高功率，因此对空腔和激光器的稳定性要求非常高。

2.入射光必须与腔体进行空间模式匹配，例如使用适当的光学器件进行聚焦和对准。入射光通常必须以基本限制衍射的光束质量传输。

3. 为了最大限度地减少泵浦功率反向反射造成的损耗，增强腔应进行阻抗匹配。这意味着泵浦辐射输入镜的传输系数与量化所有其他损耗的系数相匹配。。

锁模激光器的增强腔

增强腔通常与单频激光器一起使用，但也可以与锁模激光器一起使用。在后一种情况下，必须选择腔体长度，使腔体往返时间是脉冲间隔的整数倍。换言之，腔体的自由光谱范围必须是激光脉冲重复频率的整数倍，以便激光输出的所有线（→频率梳）可以同时谐振。此外，腔内色散和非线性不应太强[8]。

最近，增强腔被用于非常强的超短脉冲，以便在非常高的脉冲重复率下获得高谐波产生[6,7]。 挑战来自对精确的腔内色散补偿的需求，谐振镜和其他光学器件上的非常高的光学强度，以及用于产生高谐波的气体中等离子体产生等离子体导致的光束失真。，因此不需要单独的谐振腔。

飞秒增强腔

一个MHz重复频率的脉冲串通过部分传输的输入耦合器相干耦合到无源光学谐振腔，产生一个循环脉冲，功率增加了几个数量级。

腔内脉冲可以聚焦到气体目标产生重复频率为几十兆赫的相干真空/极紫外（XUV）辐射。通过腔增强高次谐波产生获得的相干XUV辐射结合了高脉冲重复率和高XUV光子通量下的高光子能量，并提供了大量的时域和频域精密计量应用[1].

图2：增强腔的工作原理

重复频率为MHz的脉冲串在时间上相干叠加，形成一个在腔中循环的明显更强的脉冲。该腔由一个输入耦合器（R<100%）和几个高反射镜（R=100%）组成。

在研究中，精密仪器和高效设备是往往取得突破性成果的关键。UltraFast Innovations的CALDERA增强腔专为满足高性能需求而设计，能够为研究人员提供稳定、高效的激光增强解决方案。

UltraFast Innovations的CALDERA增强腔

CALDERA共振增强腔

CALDERA是一款先进的激光增强腔，适用于连续波和多千瓦级平均功率脉冲操作。其设计目标是通过增强腔体的光学性能，实现极紫外（XUV）辐射的高效生成，支持多种高精度科研应用。

增强腔的组成部分及工作原理

CALDERA的关键功能

高功率处理能力：CALDERA能够处理高达100千瓦级的平均功率。这种高功率处理能力使其在需要大功率激光的应用中表现出色，例如高功率脉冲激光生成和材料加工。

宽带腔体光学设计：CALDERA采用了最先进的宽带腔体光学设计，能够在各种波长范围内提供卓越的增强性能。这种设计确保了激光在不同操作模式下（包括连续波和脉冲模式）的稳定输出。

高重复频率操作：CALDERA在≥10 MHz的重复频率下仍能保持稳定的操作性能，对于需要高重复频率的应用（如多兆赫兹重复频率的光电子能谱学）来说是理想选择。

定制化设计：CALDERA可以根据用户的具体需求进行定制，确保其性能能够最佳适配各种科研应用。这种灵活性使CALDERA成为各类精密科研工作的理想选择。

CALDERA在科研中的应用

1.  极紫外频率梳生成：CALDERA能够在高重复频率下生成相干的极紫外辐射。这种高光子能量和高XUV光子通量对于精密计量和飞秒科学研究具有重要意义，为时间域和频率域的精密测量提供了强有力的工具。

空腔增强高次谐波发生的工作模式

一列电场为 EIR、重复周期为 Tr= 2π/ωr、脉冲间载波-包络偏移滑动量为 φ0= 2πω0/ωr（其中 ω0 和 ωr 为频率-包络参数（见正文））的（红外）脉冲被耦合到一个无源谐振器上，该谐振器的焦点处含有一个气体靶。IC，部分透射输入耦合镜；HR，高反射镜；FM，聚焦 HR。选择谐振器反射镜上的小入射角（介质光学的典型特征），再加上以紧凑的占地面积为目标的光束折叠，通常会形成弓形几何结构。[1]

多兆赫兹重复频率光电子能谱学：利用高通量和超快极紫外光子辐射，CALDERA能够在18.4 MHz脉冲重复频率下实现高通量光电子能谱学研究。这种能力对于材料科学、表面物理学等领域的前沿研究具有重要推动作用。

实验设置。MOPA 产生一系列以 1030 nm 为中心的 18.4 MHz 重复频率、250 fs 脉冲。输出脉冲在熔融石英 （FS） 中通过频谱展宽进行非线性压缩至 < 40 fs，然后由啁啾镜 （CM） 压缩器进行，并在飞秒增强腔中相干增强。[2]

硬X射线生成：通过逆康普顿散射，CALDERA能够在兆瓦级平均功率下生成皮秒级脉冲，为硬X射线生成提供了新的可能。这一特性扩展了其在高能物理和材料研究中的应用范围。

实验装置示意图。PD：光电二极管；HR：高反射。[3]

选择CALDERA

UltraFast Innovations凭借其在激光技术领域的深厚积累和持续创新，确保每一台CALDERA增强腔都能为用户提供最佳的使用体验。我们的增强型腔 CALDERA 可根据您的设置量身定制，支持连续波和多 kW 级平均功率脉冲操作，包括以10MHz的重复频率产生相干真空/极紫外（XUV）辐射。无论您的研究方向为何，CALDERA都能为您提供强大的支持，助力您的科研工作迈上新台阶。

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参考文献：

[1] I. Pupeza, C. Zhang, M. Högner, J. Ye, „Extreme-ultraviolet frequency combs for precision metrology and attosecond science,” Nature Photonics 15, 175–186 (2021)

[2] T. Saule, S. Heinrich, J. Schötz, N. Lilienfein, M. Högner, O. de Vries, M. Plötner, J. Weitenberg, D. Esser, J. Schulte, P. Rußbüldt, J. Limpert, M. F. Kling, U. Kleineberg, I. Pupeza, “High-Flux, Ultrafast Extreme- Ultraviolet Photoemission Spectroscopy at 18.4 MHz Pulse Repetition Rate,” Nature Communications, 10:458 (2019)

[3] H. Carstens, N. Lilienfein, S. Holzberger, C. Jocher, T. Eidam, J. Limpert, A. Tuennermann, J. Weitenberg, D.C. Yost, A. Alghamdi, Z. Alahmed, A. Azzeer, A. Apolonski, E. Fill, F. Krausz, I. Pupeza, “Megawatt-scale average-power ultrashort pulses in an enhancement cavity,” Optics Letters 39, 2595 (2014)