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光學工程
啁啾脈沖放大新方案——準參量放大技術

激光脈沖的峰值功率由脈沖寬度和脈沖能量定義。二者分別取決于強激光放大器的增益帶寬和轉換效率,它們共同決定了超短超強激光的放大能力。

迄今為止,超短超強激光放大主要依賴于啁啾脈沖放大(CPA)和啁啾脈沖光參量放大(OPCPA)這兩大類方案,它們分別具有高效率和大寬帶的特征,但不能同時集于一身。

雖然通過CPA和OPCPA均可實現拍瓦(1015 W)水平的強激光輸出,但要大幅超越拍瓦、實現走向未來的艾瓦(1018 W )激光,這兩類強激光方案在放大能力方面都存在著瓶頸:CPA能級型增益介質不支持超寬帶的周期量級強激光脈沖,而OPCPA的轉換效率則受到非線性倒流的嚴重制約。

為克服上述瓶頸問題,上海交通大學物理與天文系錢列加教授研究組提出了一種準參量啁啾脈沖放大(QPCPA)的新方案。QPCPA同時具備鈦寶石放大器的高效率和OPCPA的超寬帶特征,可為啁啾脈沖提供理想的放大環境。


圖1. (a) QPCPA能級示意圖; (b) 大的相位失配條件下QPCPA和OPCPA中信號光的演化規律

QPCPA與OPCPA唯一但根本的區別在于將傳統OPA晶體替換成QPA晶體。該研究組發現,通過采用摻雜稀土離子的YCOB晶體對閑頻光進行吸收,QPCPA可完全消除參量過程的倒流問題,由此便構建了一種與能級放大器相似的準參量過程。


圖2. Sm:YCOB晶體吸收譜線及其毛坯照片

這一技術具有多方面的優點:同時具備超寬帶和接近量子極限的高效率;不發生倒流逆過程;對泵浦激光以及相位失配不敏感。上述優點保障了激光系統的高效性和穩定性。

在原理性驗證實驗中,QPCPA方案已經實現了47 %的信號光轉換效率(晶體內部)和70 %的泵浦光耗損,達到了傳統高效率二倍頻(SHG)和三倍頻(THG)的技術水準。


圖3. (a) QPCPA中信號光和閑頻光隨注入強度的變化; (b) QPCPA和OPCPA中歸一化信號效率隨相位失配的變化關系

放大能力(FOM)可以作為衡量一個強激光放大器的品質因子,它綜合反映了強激光方案的技術水準。該研究組發現,QPCPA的放大能力高于傳統的鈦寶石CPA方案和OPCPA方案。

上述特點使得QPCPA有望成為繼CPA和OPCPA之后超短超強激光的新的有效放大方案。

論文鏈接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.001006


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