近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在基于双晶体光谱级联的高效率宽带短波红外脉冲放大技术方面取得研究进展，相关研究成果以“Broadband amplification by dual-crystal spectra cascading in a short-wave infrared ultra-intense ultrashort laser”为题发表于Photonics Research。
在光参量OPCPA放大过程中，由于泵浦脉冲的脉冲宽度往往在几十皮秒甚至纳秒量级，因此需要使用较长的中红外非线性晶体来有效地提高放大脉冲的能量。都生成如果简单地增加单晶的长度，那么在放大过程中，当信号脉冲和闲置脉冲的强度达到一定程度时，非线性三波耦合过程将引起来自信号和闲置脉冲的能量回流到泵浦脉冲。随着晶体长度的增加，晶体的相位匹配带宽变窄，导致输出光谱变窄，输出脉冲宽度变宽(
)。
针对上述挑战，该研究团队发展了一种基于双晶体光谱级联的高效率宽带短波红外(~1.5微米)OPCPA技术。通过级联两个不同相位匹配角的晶体，实现了半高宽超过110 nm的宽带光谱放大，脉冲宽度压缩到42.15 fs。与单晶结构相比，双晶结构的光谱带宽半高宽增加了85 nm，脉冲宽度缩短了43.2%。并且，这两种晶体在不同的光谱波段具有不同的相位匹配，使得每个晶体中的三波耦合过程保持相互独立，从而可以有效地抑制能量的反向回流，提高能量转换效率，从而进一步增强放大的脉冲能量。与单晶结构相比，能量转换效率提升了17.22%，转换效率为25.9%，放大能量达到58.6mJ。在1.5微米左右波段压缩后最终获得30mJ的脉冲能量，对应于0.74TW的峰值功率。该研究展示的短波红外超强和超短激光为强场物理和非线性光学的前沿研究提供了强有力的技术支持和新颖的实验方法，它在高次谐波产生(HHG)和水窗X射线产生、阿秒超快科学、强场THz辐射及其应用以及燃烧诊断研究等各种前沿研究和应用领域都发挥着很大作用。
相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
图1 双晶体光谱级联OPCPA技术原理示意图
图2 单晶体和双晶体情况下各阶段后输出光谱
图3 单晶体和双晶体情况下的压缩后输出脉宽等测量图
