通过色散调控多通道光学参量放大实现的极短激光脉冲

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2025

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极短激光脉冲（小于 100 fs）的放大存在一个根本性的挑战，这是由于放大带宽、效率和增益之间存在权衡关系。传统方法依赖于复杂的光学装置，包括预处理和后处理步骤。光学参量放大提供了随非线性介质长度增加而增大的高光学增益，但以带宽为代价，这限制了其对极短且固有宽带的超短脉冲的有效性，因为这些脉冲的放大需要宽增益带宽、高单程增益以及同时强烈的非线性相互作用。

本文创新点：传统宽带放大器依赖极短且薄的晶体，而高效率设计则需较长的晶体。为兼顾二者特性，研究人员常将多块短晶体串联，但此法要求泵浦激光与信号脉冲间实现精密的时间同步。针对这一局限，研究团队创新性地提出了“多重往返”方案。该设计仅采用一块短晶体，使光脉冲在其中反复穿行，且每次往返后系统都会对光束位置进行精确校准，以维持双脉冲同步。整个结构仅由五个组件构成，占地面积不过数平方厘米，却能产生小于50fs的激光脉冲。

多程放大器（MPA）如图 1 所示。它基于超短激光脉冲在保持量子态的多程几何结构内的短非线性介质中反复传播。图 1a 展示了所使用的 MPA 几何结构，它利用一个球面镜、两个棱镜反射镜和一个平面端镜引导完全共线的泵浦光和信号光通过短非线性介质。图 1b 展示了该几何结构的展开表示，其中单程相当于所用几何结构中的半程往返。在每次通过时，泵浦光和信号光在非线性介质中传播，用于光参量放大（OPA），并积累群延迟。在每次通过后补偿群延迟，以增加泵浦光和信号光之间的有效相互作用长度（图 1c）。此外，一个光谱滤波器移除产生的闲频光，以抑制后续通过非线性增益介质时的反向转换。团队在 MPC 的每个反射面上通过色散工程光学涂层实现了群延迟补偿和光谱滤波。这些表面对于泵浦脉冲和信号脉冲的反射率超过 99%，对于闲频的透射率超过 97%。经过一个完整往返行程后的残余群延迟估计为 4 fs。在 MPA 中可以使用具有大增益带宽的短非线性介质来生成具有大增益和高光子转换效率的大宽带脉冲。图 1d 展示了 1 mm长和 6 mm长单程晶体的模拟参量增益。较长的晶体以增益带宽为代价换取更高的峰值增益。

随着种子源功率的降低，MPA 与两种 SPA 之间的性能差异变得更加显著，如下图所示。在图 a 所示的小信号区域内，MPA 会使输入光谱在频域上扩展至多达 70nm，相当于 60ns的高斯脉冲持续时间。研究团队通过在 5uw种子功率和 3 w泵浦功率下进行自相关测量来验证这一点，结果证实了 60 nm的脉冲持续时间。随着种子功率的增加，MPA 和 1 mm的 SPA 的高斯脉冲持续时间会等比例增加，而 5 mm的 SPA 的脉冲持续时间则基本保持不变。图 c 描绘了这三种系统在信号种子功率上的增益依赖性。在毫瓦级别的信号种子功率下，所有三个系统的增益和光谱带宽都处于最小值，尽管 MPA 仍表现出最高的增益和最宽的光谱带宽（42 nm）。图 d 强调指出，MPA 不仅比两种 SPA 的增益更大，而且还能在时间上压缩脉冲，有效地实现了一种“时间增益压缩器”的功能。这是通过大增益带宽与精确的群时延补偿相结合实现的。模拟结果显示，压缩主要发生在未饱和的传输段（补充信息中）。总体而言，在增益带宽乘积方面获得了几个数量级的优势，这使得 MPA 极具威力，并能够实现 SPA 无法达到的放大场景。

综上所述，本文展示了一种新的紧凑型多路光学参数放大几何结构，该结构能有效缓解时间偏移、反向转换以及非线性相互作用的限制。与单路配置相比，这种方法在相同的非线性介质或具有相当累积长度的非线性介质中实现了更高的光子转换效率和时间-带宽积。使用通用增益材料和仅四个反射镜，它在饱和状态下实现了高达 81%的光子转换效率（系统转换效率为 52%），小信号增益高达 41 分贝，并且在输入功率的 30 分贝动态范围内实现了饱和工作状态，同时保持或甚至提高了时间-带宽积和空间光束质量。此外，在小信号状态下，它还能实现近三倍的脉冲时间压缩，并直接放大小于 40 ns的脉冲。

该概念具有广泛的适用性，不受所选几何结构、光谱范围或材料选择的限制。它能够在保持或提升光学性能的同时降低输入功率要求，这使其成为生物医学及其他成本敏感应用中解决方案的有前景的选择。

参考文献

Ngele JH, Steinle T, Thannheimer J, Flad P, Giessen H. Dispersion-engineered multipass optical parametric amplification. Nature 2025; 647(8088):74-79.

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