圖1. 色散補償后信號脈沖的SHG-FROG特性。(a)、(b) 測量和重建的FROG曲線。(c) 測量(淺藍色陰影)和反演(藍線)的光譜和相位(灰色線)。(d) 傅里葉極限脈寬(藍色)和FROG反演脈寬(粉色)。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室在基于光學(xué)參量放大器實現(xiàn)少周期紅外以及THz脈沖研究方面取得新進展。相關(guān)研究成果以 “Hybrid optical parametric amplifier for few-cycle infrared and terahertz pulses generation” 為題發(fā)表在Optics and Laser Technology上。

近年來，紅外(IR)和太赫茲(THz)范圍內(nèi)的少周期脈沖成為了激發(fā)和探測超快動力學(xué)的有力工具。少周期紅外激光器已被應(yīng)用于通過高次諧波產(chǎn)生(HHG)在X射線窗口中產(chǎn)生孤立的阿秒脈沖、通過誘導(dǎo)電子衍射實現(xiàn)超快分子動力學(xué)成像、觀察價電子運動等研究。超短太赫茲源的振蕩頻率較低，在共振激發(fā)準粒子、控制晶體結(jié)構(gòu)、瞬態(tài)偏振調(diào)制和高梯度電子加速等方面具有優(yōu)勢，因此備受關(guān)注。光參量放大器(OPA)是驅(qū)動少周期紅外和太赫茲脈沖最廣泛使用的設(shè)備之一。利用OPA產(chǎn)生的不同波長的脈沖，可以實現(xiàn)脈沖的光譜相干，進而可以通過色散補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)少周期脈沖。此外，不同波長的脈沖可以通過光學(xué)差頻(DFG)的方式實現(xiàn)THz脈沖輸出。

圖2. OPA閑頻脈沖的DFG。(a) 相位匹配角的計算;(b) FTIR光譜測量的干涉信號;(c) 可調(diào)諧太赫茲光譜和 27 THz輸出時的焦點輪廓(插圖)。

本工作中，研究團隊報告了一種三級光學(xué)參量放大器，可產(chǎn)生少周期的紅外和太赫茲脈沖。種子光的不同成分經(jīng)過放大后可產(chǎn)生可調(diào)諧的寬帶頻譜。經(jīng)過色散補償后，OPA的信號脈沖被壓縮到 15.2 fs，脈沖能量為 380 μJ。同時，閑頻光被注入一個DFG裝置，產(chǎn)生THz波，其頻譜可在 18-30 THz之間調(diào)諧，峰值脈沖能量為 4 μJ。該系統(tǒng)通過采用多級光學(xué)參量放大來放大更寬的紅外頻譜，從而支持更短的脈寬。通過使用適當(dāng)?shù)姆蔷€性晶體來實現(xiàn) DFG，還可以獲得更多頻率的THz波。該研究為產(chǎn)生少周期的紅外和太赫茲脈沖提供了一種緊湊、可擴展的方法。

相關(guān)工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院儀器設(shè)備研制項目等支持。

審核編輯 黃宇