圖1 雙晶體光譜級聯(lián)OPCPA技術(shù)原理示意圖

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在基于雙晶體光譜級聯(lián)的高效率寬帶短波紅外脈沖放大技術(shù)方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Broadband amplification by dual-crystal spectra cascading in a short-wave infrared ultra-intense ultrashort laser”為題發(fā)表于Photonics Research。

在光參量OPCPA放大過程中，由于泵浦脈沖的脈沖寬度往往在幾十皮秒甚至納秒量級，因此需要使用較長的中紅外非線性晶體來有效地提高放大脈沖的能量。都生成如果簡單地增加單晶的長度，那么在放大過程中，當(dāng)信號脈沖和閑置脈沖的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，非線性三波耦合過程將引起來自信號和閑置脈沖的能量回流到泵浦脈沖。隨著晶體長度的增加，晶體的相位匹配帶寬變窄，導(dǎo)致輸出光譜變窄，輸出脈沖寬度變寬(

)。

圖2 單晶體和雙晶體情況下各階段后輸出光譜

圖3 單晶體和雙晶體情況下的壓縮后輸出脈寬等測量圖

針對上述挑戰(zhàn)，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于雙晶體光譜級聯(lián)的高效率寬帶短波紅外(~1.5微米)OPCPA技術(shù)。通過級聯(lián)兩個不同相位匹配角的晶體，實(shí)現(xiàn)了半高寬超過110 nm的寬帶光譜放大，脈沖寬度壓縮到42.15 fs。與單晶結(jié)構(gòu)相比，雙晶結(jié)構(gòu)的光譜帶寬半高寬增加了85 nm，脈沖寬度縮短了43.2%。并且，這兩種晶體在不同的光譜波段具有不同的相位匹配，使得每個晶體中的三波耦合過程保持相互獨(dú)立，從而可以有效地抑制能量的反向回流，提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而進(jìn)一步增強(qiáng)放大的脈沖能量。與單晶結(jié)構(gòu)相比，能量轉(zhuǎn)換效率提升了17.22%，轉(zhuǎn)換效率為25.9%，放大能量達(dá)到58.6mJ。在1.5微米左右波段壓縮后最終獲得30mJ的脈沖能量，對應(yīng)于0.74TW的峰值功率。該研究展示的短波紅外超強(qiáng)和超短激光為強(qiáng)場物理和非線性光學(xué)的前沿研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和新穎的實(shí)驗(yàn)方法，它在高次諧波產(chǎn)生(HHG)和水窗X射線產(chǎn)生、阿秒超快科學(xué)、強(qiáng)場THz輻射及其應(yīng)用以及燃燒診斷研究等各種前沿研究和應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮著很大作用。

相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


審核編輯 黃宇