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长三角G60激光联盟导读
据悉 ， 自啁啾脉冲放大（CPA）和光学参量啁啾脉宽放大（OPCPA）的最早演示以来 ， 飞秒激光器已经能够提供高达10兆瓦（PW）的超高峰值功率 ， 从而为紧凑型粒子加速器和X射线源铺平了道路 。
在CPA中 ， 泵通过一个能级增益介质系统放大信号 ， 其中一个跃迁是非辐射的 。 这种激光放大具有从泵浦到信号的高效率和相对窄的增益带宽 。 在OPCPA中 ， 泵通过参数交互放大信号 ， 同时产生空转波 。 OPCPA可以通过控制相位匹配条件实现宽带 ， 但由于反向转换 ， 效率相对较低 。 QPCPA是OPCPA的一种变体 ， 通过耗散具有强晶体吸收的惰轮 。 惰轮耗散阻碍了反向转换效应 ， 实现了高效率和大带宽 。 来源：Jingui Ma 等
为了进一步提高峰值功率 ， 需要具有高转换效率和大带宽的激光放大方案 。 然而 ， CPA激光放大器的增益带宽相对较窄 ， 而OPCPA的信号效率相对较低 ， 或者由于反向转换导致泵浦损耗 。
在《Light: Science & Applications》杂志上发表的一篇新论文中 ， 由上海交通大学物理与天文学院激光等离子体重点实验室（MOE）的Liejia Qian教授及其同事领导的科学家团队展示了准参数啁啾脉冲放大（QPCPA）的超高效低噪声方案 ， 这是OPCPA的变体 ， 通过耗散具有强晶体吸收的惰轮 。
惰轮耗散阻碍了后转换效应 ， 使QPCPA具有高效率、大带宽和抗相位失配的鲁棒性 。 他们通过实验证明 ， 从532 nm泵浦转换的810 nm信号的能量效率为56% ， 或者相当于85%的泵浦损耗 。 这样一个创纪录的高损耗极大地将QPCPA中的参数超荧光（PSF）噪声抑制到相对于放大信号能量仅约10-6 。
a ， 单级QPCPA设置与Sm:YCOB晶体和两个电同步激光器 。 b ， 相匹配面上Sm:YCOB晶体的有效非线性系数deff (θ ， φ) 。 c ， 无信号种子的PSF环 。 通道1用于信号放大;通道2用于探测小信号增益;通道3用于检测PSF能量 。 信号和探测具有强信号种子的光束点 。
在他们的实验中 ， 使用了一个8cm的Sm:YCOB晶体 ， 该晶体具有最大非线性系数的取向 ， 对于泵浦和信号都是透明的 ， 但对于惰轮则是不透明的 。 泵强度为3 GW cm?2时 ， 最高信号效率为56% ， 种子强度为~7MW cm?2 ， 对应于85%的泵损耗 。
证明的QPCPA泵损耗约为OPCPA的2.5倍 。 有效信号放大产生的强泵浦损耗显著抑制了PSF噪声的产生 。 在~65 mJ的最大信号输出内 ， 测得的PSF噪声能量低至~10μJ 。 压缩后的脉冲对比度应高达~109 。
a ， QPCPA方案示意图 。 b ， 泵浦强度为~3 GW cm时 ， 泵浦到信号效率和泵浦损耗与种子强度的关系?2 。 c ， 泵的脉冲曲线(黑色) ， 种子强度为7MW cm2(红色实心 ， b中标注的点Ⅰ)和2.5 W cm2(红色虚线 ， b中标注的点Ⅱ)的放大信号 。 阴影部分为信号种子的啁啁性脉冲曲线(频谱) 。 信号啁啾值为40ps nm 。 d 参量超荧光（PSF）能量的演化（黑色正方形和圆形）和探测小信号增益（蓝色圆形） 。 来源：Jingui Ma 等
第一作者MA教授解释了为什么他们将这种过程命名为“准参数”放大：“QPCPA过程非常有趣 。 在饱和放大区 ， 其效率随着种子强度的增加而不断提高 ， 没有任何反向转换 ， 这与‘非参数’激光放大非常相似 。 然而 ， 在小信号放大区 ， 它继承了OPCPA的所有参数行为 。 QPCPA结合了参数和非参数过程的优点 。 ”
a ， 泵对信号的效率和泵损耗随种子强度的变化 ， 泵强度为~3?GW?cm?2 。 b ， 泵浦脉冲曲线(黑色) ， 种子强度为7 MW cm?2(红色实心 ， 标记在a中的点I)和2.5 W cm?2(红色虚线 ， 标记在a中的点II)时放大的信号 。 c ， 压缩信号脉冲的强度(黑色)和相位(蓝色)(GRENOUILLE 8-50-USB Swamp Optics) 。 d ，5000次泵能量(黑色)和放大信号能量(红色) 。
他补充道：“由于反向转换效应完全被阻挡 ， QPCPA还具有抗相位失配的能力 。 这意味着QPCPA对泵浦光束指向和环境温度的变化不敏感 。 这有利于QPCPA的高重复率操作 。 基于大尺寸Sm:YCOB晶体的QPCPA方案具有非常大的效率和带宽乘积 ， 通过使用与当前10兆瓦激光设备相同的泵浦能量 ， 可以支持高达50兆瓦的峰值功率 ， 因此QPCPA可能是将超强激光推到目前10兆瓦极限之外的合格候选人 。 ”
【准参量放大对超短脉冲的高效低噪声放大】
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