准参量放大对超短脉冲的高效低噪声放大

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。”

来源：Demonstration of 85% pump depletion and 10−6 noise content in quasi-parametric chirped-pulse amplification, Light: Science & Applications (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00967-6