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啁啾脉冲放大新方案——准参量放大技术

2016-10-19

  激光脉冲的峰值功率由脉冲宽度和脉冲能量定义。二者分别取决于强激光放大器的增益带宽和转换效率,它们共同决定了超短超强激光的放大能力。

  迄今为止,超短超强激光放大主要依赖于啁啾脉冲放大(CPA)和啁啾脉冲光参量放大(OPCPA)这两大类方案,它们分别具有高效率和大宽带的特征,但不能同时集于一身。

  虽然通过CPA和OPCPA均可实现拍瓦(1015 W)水平的强激光输出,但要大幅超越拍瓦、实现走向未来的艾瓦(1018 W )激光,这两类强激光方案在放大能力方面都存在着瓶颈:CPA能级型增益介质不支持超宽带的周期量级强激光脉冲,而OPCPA的转换效率则受到非线性倒流的严重制约。

  为克服上述瓶颈问题,上海交通大学物理与天文系钱列加教授研究组提出了一种准参量啁啾脉冲放大(QPCPA)的新方案。QPCPA同时具备钛宝石放大器的高效率和OPCPA的超宽带特征,可为啁啾脉冲提供理想的放大环境。该成果发表在Optica [2, 1006-1009 (2015)]上。


图1. (a) QPCPA能级示意图; (b) 大的相位失配条件下QPCPA和OPCPA中信号光的演化规律

  QPCPA与OPCPA唯一但根本的区别在于将传统OPA晶体替换成QPA晶体。该研究组发现,通过采用掺杂稀土离子的YCOB晶体对闲频光进行吸收,QPCPA可完全消除参量过程的倒流问题,由此便构建了一种与能级放大器相似的准参量过程。


图2. Sm:YCOB晶体吸收谱线及其毛坯照片

  这一技术具有多方面的优点:同时具备超宽带和接近量子极限的高效率;不发生倒流逆过程;对泵浦激光以及相位失配不敏感。上述优点保障了激光系统的高效性和稳定性。

  在原理性验证实验中,QPCPA方案已经实现了47 %的信号光转换效率(晶体内部)和70 %的泵浦光耗损,达到了传统高效率二倍频(SHG)和三倍频(THG)的技术水准。

  
图3. (a) QPCPA中信号光和闲频光随注入强度的变化; (b) QPCPA和OPCPA中归一化信号效率随相位失配的变化关系

  放大能力(FOM)可以作为衡量一个强激光放大器的品质因子,它综合反映了强激光方案的技术水准。该研究组发现,QPCPA的放大能力高于传统的钛宝石CPA方案和OPCPA方案。

  上述特点使得QPCPA有望成为继CPA和OPCPA之后超短超强激光的新的有效放大方案。

  论文链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.001006