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，中國科學院上海光學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參量放大器實現少周期紅外以及THz脈沖研究方面取得新進展。相關研究成果以 “Hybrid optical parametric amplifier for few-cycle infrared and terahertz pulses generation” 為題發表在Optics and Laser Technology上。

近年來，紅外(IR)和太赫茲(THz)范圍內的少周期脈沖成為了激發和探測超快動力學的有力工具。少周期紅外激光器已被應用于通過高次諧波產生(HHG)在X射線窗口中產生孤立的阿秒脈沖、通過誘導電子衍射實現超快分子動力學成像、觀察價電子運動等研究。超短太赫茲源的振蕩頻率較低，在共振激發準粒子、控制晶體結構、瞬態偏振調制和高梯度電子加速等方面具有優勢，因此備受關注。光參量放大器(OPA)是驅動少周期紅外和太赫茲脈沖最廣泛使用的設備之一。利用OPA產生的不同波長的脈沖，可以實現脈沖的光譜相干，進而可以通過色散補償的方式實現少周期脈沖。此外，不同波長的脈沖可以通過光學差頻(DFG)的方式實現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參量放大器，可產生少周期的紅外和太赫茲脈沖。種子光的不同成分經過放大后可產生可調諧的寬帶頻譜。經過色散補償后，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，產生THz波，其頻譜可在 18-30 THz之間調諧，峰值脈沖能量為 4 μJ。該系統通過采用多級光學參量放大來放大更寬的紅外頻譜，從而支持更短的脈寬。通過使用適當的非線性晶體來實現 DFG，還可以獲得更多頻率的THz波。該研究為產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。

相關工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院儀器設備研制項目等支持。

審核編輯 黃宇