圖1 雙晶體光譜級聯OPCPA技術原理示意圖

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊在基于雙晶體光譜級聯的高效率寬帶短波紅外脈沖放大技術方面取得研究進展，相關研究成果以“Broadband amplification by dual-crystal spectra cascading in a short-wave infrared ultra-intense ultrashort laser”為題發表于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，當信號脈沖和閑置脈沖的強度達到一定程度時，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，該研究團隊發展了一種基于雙晶體光譜級聯的高效率寬帶短波紅外(~1.5微米)OPCPA技術。通過級聯兩個不同相位匹配角的晶體，實現了半高寬超過110 nm的寬帶光譜放大，脈沖寬度壓縮到42.15 fs。與單晶結構相比，雙晶結構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立，從而可以有效地抑制能量的反向回流，提高能量轉換效率，從而進一步增強放大的脈沖能量。與單晶結構相比，能量轉換效率提升了17.22%，轉換效率為25.9%，放大能量達到58.6mJ。在1.5微米左右波段壓縮后最終獲得30mJ的脈沖能量，對應于0.74TW的峰值功率。該研究展示的短波紅外超強和超短激光為強場物理和非線性光學的前沿研究提供了強有力的技術支持和新穎的實驗方法，它在高次諧波產生(HHG)和水窗X射線產生、阿秒超快科學、強場THz輻射及其應用以及燃燒診斷研究等各種前沿研究和應用領域都發揮著很大作用。

相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。


審核編輯 黃宇