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超快非线性光学技术之五十九 双啁啾OPA产生高能量、单周期红外脉冲

孤立阿秒脉冲(IAP)的产生依赖于高次谐波产生(HHG)过程，光子截止能量随驱动激光波长呈二次增长。少周期红外激光源驱输出的IAP能量通常被限制在皮焦耳范围内，增大驱动激光能量可以有效提升IAP能量。
光参量放大（OPA）技术是产生宽光谱高能量少周期红外脉冲的常用方法。图1展示了单块5 mm厚的BIBO及MgO:LN的相位匹配效率与种子及泵浦波长的关系。以特殊角度切割的BIBO晶体，可以在种子波长范围为1.2-2.4 μm、泵浦波长范围为0.75-0.8 μm内具有较高的相位匹配效率。MgO:LN晶体则可以在种子波长范围为1.6-3 μm、泵浦波长范围为0.75-0.85 μm内满足相位匹配条件。传统OPA技术一般采用一块晶体，相位匹配带宽有限。本文作者将图1所示的两种晶体结合在一起，在1.2-3 μm的超宽光谱范围实现了OPA[1]。图1b展示了实现相位匹配的过程，其中红色曲线展示了输入信号光的脉冲时域形状和波长分布，黑色曲线和蓝色曲线分别是BIBO及MgO:LN晶体的泵浦激光波长。图1b所示的信号光及泵浦光均为啁啾脉冲，不同波长成分在不同时域上时间重合从而满足图1a所示的相位匹配条件。
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图1 相位匹配效率与泵浦和种子激光波长的关系以及泵浦和种脉冲间的时间重叠[1]。
实验装置如图2所示，主体包含四级OPA。重频为1 kHz的钛宝石激光器的脉冲输出分为两束，一束经过多通放大及压缩，产生能量为750 mJ、重复频率为10 Hz、光谱宽度在750-850 nm的负啁啾脉冲，作为泵浦光。另外一路导入充有氪气的空芯光纤展宽光谱，然后利用带阻镜（BSM），将800 nm附近光滤除，防止差频时损伤晶体。然后利用啁啾镜压缩和脉冲内自差频，产生波长覆盖1.4-3.1 μm的信号光脉冲，再利用AOPDF将脉宽展至4.7 ps。随后将该信号光与泵浦光导入四级双啁啾OPA系统，其中第一级只有MgO:LN晶体，用于补偿后续BIBO晶体内在>2.4 μm处的吸收损耗；后面三级都含有BIBO和MgO:LN两种晶体，其中BIBO晶体置于前面，防止>2.4 μm处的吸收。
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图2 双晶体DCOPA系统示意图[1]
各级OPA晶体的能量注入如表1所示，放大后光谱如图3所示。从表1可看出注入能量逐级增加，信号光在经历四级放大后最终输出能量>50 mJ。为了在第二级放大时获得更多长波波段的放大（图3绿色），MgO:LN晶体厚度大于BIBO晶体。第三级放大时采用了两种泵浦方式，第一种是将400 mJ泵浦能量注入BIBO，320 mJ泵浦能量注入MgO:LN，从而产生了61 mJ的信号光，其放大主要集中在1.4-2 μm。第二种方式是将320 mJ泵浦能量注入BIBO和400 mJ泵浦能量注入MgO:LN，产生了53 mJ的信号光，中心波长移至2.44 μm。
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表1 各级OPA注入泵浦能量及放大参数[1]
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图3 各级放大光谱[1]
作者选取蓝宝石块状材料压缩中心波长为2.44 μm的信号光脉冲，并通过微调展宽器AOPDF的参数来尽可能补偿各阶色散。最终利用三阶FROG测量得到的脉宽为8.58 fs，傅里叶变换极限为8.22 fs。在蓝宝石体材料压缩器后搭建f-to-2f干涉仪，测试信号光脉冲的CEP稳定性。3分钟内的RMS是228 mrad，M2测量结果为1.24×1.29，各参数均满足阿秒脉冲驱动源的要求（如图4所示）。
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图4 CEP稳定性级光束质量测量结果[1]
本文介绍了基于BIBO和MgO:LN双晶体结合的OPA技术，获得了中心波长为2.44 μm的高能量（53 mJ）、单周期（8.58 fs）红外脉冲。未来利用三晶体OPA技术，有望进一步缩短脉宽，产生亚周期驱动激光，该光源可驱动产生<10 as甚至仄秒脉冲，进一步拓展超短脉冲的宽度极限。
参考文献：
[1] Xu L, Takahashi E J. Dual-chirped optical parametric amplification of high-energy single-cycle laser pulses[J]. Nature Photonics, 2024, 18(1): 99-106.

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