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中红外超强超短激光研究进展(特邀)

钱俊宇 彭宇杰 李妍妍 黎文开 冯壬誉 沈丽雅 冷雨欣

钱俊宇, 彭宇杰, 李妍妍, 黎文开, 冯壬誉, 沈丽雅, 冷雨欣. 中红外超强超短激光研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210456. doi: 10.3788/IRLA20210456
引用本文: 钱俊宇, 彭宇杰, 李妍妍, 黎文开, 冯壬誉, 沈丽雅, 冷雨欣. 中红外超强超短激光研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210456. doi: 10.3788/IRLA20210456
Qian Junyu, Peng Yujie, Li Yanyan, Li Wenkai, Feng Renyu, Shen Liya, Leng Yuxin. Research progress of mid-infrared ultra-intense and ultrashort laser (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(8): 20210456. doi: 10.3788/IRLA20210456
Citation: Qian Junyu, Peng Yujie, Li Yanyan, Li Wenkai, Feng Renyu, Shen Liya, Leng Yuxin. Research progress of mid-infrared ultra-intense and ultrashort laser (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(8): 20210456. doi: 10.3788/IRLA20210456

中红外超强超短激光研究进展(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210456
基金项目: 国家自然科学基金(61925507,62075227);上海市优秀学术带头人计划(18XD1404200);上海市青年科技启明星计划(21QA1410200);中国科学院战略先导科技专项B类(XDB16030000)
详细信息
    作者简介:

    钱俊宇,男,博士生,主要从事中红外超强超短激光技术及应用方面的研究

    通讯作者: 彭宇杰,男,副研究员,博士,主要从事重复频率超强超短激光技术、中红外超强超短激光技术及其应用方面的研究。; 冷雨欣,男,研究员,博士,主要从事超强超短激光及重大应用方面的研究。
  • 中图分类号: O437

Research progress of mid-infrared ultra-intense and ultrashort laser (Invited)

  • 摘要: 近年来,可调谐中红外新波段超强超短激光的出现与迅速发展,开辟了强场物理领域中迄今仍很少探索过的参量空间,为开拓超强超短激光与物质相互作用的新物理、新效应及新应用提供了新机遇。文中总结了中红外超强超短激光近年来的发展趋势与研究方向。针对光参量放大、光参量啁啾脉冲放大、中红外脉冲后压缩以及中红外新型光场调控技术4个研究方向,较全面地分析各自的国内外研究现状,并对未来中红外超强超短激光的发展趋势进行了展望。
  • 图  1  OPA过程原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of OPA

    图  2  (a) 最终输出的中红外光谱,实线为实测实验结果,虚线对应于数值模拟的光谱;(b) 以3.86 μm为中心的实验结果;(c) 信号光能量随波长的变化;(d) 闲置光能量随波长的变化[31]

    Figure  2.  (a) The final output mid-infrared spectra. The solid lines are measured experimental results, the dash lines correspond the spectra from the numerical simulation; (b) Experimental results centered at 3.86 μm; (c) Signal energy versus wavelength; (d) Idler energy versus wavelength[31]

    图  3  OPCPA原理示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of OPCPA

    图  4  (a) 第二级OPA的信号脉冲能量与泵浦能量的关系; (b) 整个OPCPA系统的光谱演变[36]

    Figure  4.  (a) Amplified signal pulse energy of the second-stage OPA as a function of pump energy; (b) The spectrum evolution throughout the OPCPA system[36]

    图  5  100 TW中红外激光系统示意图[39]

    Figure  5.  Schematic of the 100-TW-level mid-infrared laser system[39]

    图  6  4 μm OPCPA系统及空心光纤相干合束系统原理图[49]

    Figure  6.  Schematic of the 4 μm OPCPA system and the HCF-based coherent beam combination system[49]

    图  7  中红外超强超短激光发展趋势(截至2018年)

    Figure  7.  Development trend of mid-infrared ultra-intense ultrashort lasers as of 2018

    表  1  OPA、OPCPA、FOPA和DC-OPA产生的中红外飞秒激光的特性[41]

    Table  1.   Characteristics of OPA, OPCPA, FOPA, and DC-OPA for generating MIR femtosecond laser[41]

    OPAFOPADC-OPAOPCPA
    Pump duration Transform limit Chirped Chirped Transform limit
    Pump spectrum Broad Broad Broad Narrow
    Seed duration Transform limit Transform limit Chirped Chirped
    Seed spectrum Broad Broad Broad Broad
    Synchronization Automatic Automatic Automatic Active stabilization
    Energy scaling Difficult Possible Easy Easy
    Output pulses Signal and idler Signal Signal and idler Signal and idler
    Conversion efficiency 30%–40% 14% 30%–40% 10%–30%
    Highest output energy A few millijoules Dozens of millijoules Hundred millijoules Hundred millijoules and above
    Few-cycle pulse generation? Yes Yes Yes Yes
    Preserve CEP stability of seed? Yes No Possible Possible
    Wavelength tunability Excellent Not reported Excellent Good
    Compressor Not needed Not needed Most often but not always needed Needed
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    表  2  几种脉冲后压缩技术的特征比较

    Table  2.   Characteristics comparison of several pulse post-compression techniques

    HCFGas-filled cellFilamentBulk materialThin plates
    System Complexity Complexity Easy Easy General
    Medium Gas Gas Plasma Solid Solid
    Spectrum broadening effect SPM SPM SPM and high-order Kerr/plasma SPM SPM
    Chirp compensation Needed Needed Normal needed or self-compression Normal needed or self-compression Normal needed or self-compression
    Maximum energy mJ mJ mJ mJ mJ
    Efficiency 60% 80% 80% 80% 80%
    Compressed factor 2-10 2-10 2-10 2-10 2-10
    Pulse duration Single cycle Single cycle Single cycle Single cycle Single cycle
    N2 tunability? Gas and pressure Gas and pressure Gas and pressure No No
    Nonlinearity increasing? Pressure and HCF length Pressure and number of passed Pressure Bulk thickness Plates number
    Beam profile Excellent General Excellent General General
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    表  3  不同波段下中红外超强超短激光的典型参数[12, 32, 35, 37, 42, 44, 51-53]

    Table  3.   Typical parameters of mid-infrared ultra-intense ultrashort lasers at different wavelengths[12, 32, 35, 37, 42, 44, 51-53]

    Wavelength/μm1.51.82.23.33.9510
    OPA or OPCPAOPCPAFOPAOPCPADCOPAOPCPAOPAOPA
    CrystalKTABBOBBOMgO:LiNbO3KTAZGPBGS
    Energy26.5 mJ30 mJ250 μJ31 mJ20 mJ3.4 mJ0.81 µJ
    Repetition frequency100 Hz10 Hz100 kHz10 Hz20 Hz1 kHz100 kHz
    Pulse width/fs6011.616.5703089.4126
    Post-compressionNoneNoneNoneNoneBulk materialNoneNone
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-06
  • 修回日期:  2021-07-26
  • 刊出日期:  2021-08-25

中红外超强超短激光研究进展(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210456
    作者简介:

    钱俊宇,男,博士生,主要从事中红外超强超短激光技术及应用方面的研究

    通讯作者: 彭宇杰,男,副研究员,博士,主要从事重复频率超强超短激光技术、中红外超强超短激光技术及其应用方面的研究。; 冷雨欣,男,研究员,博士,主要从事超强超短激光及重大应用方面的研究。
基金项目:  国家自然科学基金(61925507,62075227);上海市优秀学术带头人计划(18XD1404200);上海市青年科技启明星计划(21QA1410200);中国科学院战略先导科技专项B类(XDB16030000)
  • 中图分类号: O437

摘要: 近年来,可调谐中红外新波段超强超短激光的出现与迅速发展,开辟了强场物理领域中迄今仍很少探索过的参量空间,为开拓超强超短激光与物质相互作用的新物理、新效应及新应用提供了新机遇。文中总结了中红外超强超短激光近年来的发展趋势与研究方向。针对光参量放大、光参量啁啾脉冲放大、中红外脉冲后压缩以及中红外新型光场调控技术4个研究方向,较全面地分析各自的国内外研究现状,并对未来中红外超强超短激光的发展趋势进行了展望。

English Abstract

    • 超强超短激光技术的发展与应用研究是当前国际上激光技术的一个非常重要的科学前沿领域,它不仅推动了一批基础学科和前沿交叉学科的开拓和发展,也在诸如高亮度新波段相干光源、超高梯度高能粒子加速器、强场激光核医学、聚变能源、精密测量等战略高技术领域[1-6]的创新发展中起到不可替代的强大推动作用。

      长期以来,由于超强超短激光增益介质(例如钛宝石等)辐射波段的限制,大多数的超强超短激光都局限于可见-近红外波段。而随着光学参量放大(Optical Parametric Amplification,OPA)技术[7]、光学参量啁啾脉冲放大(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification,OPCPA)技术[8]和各类脉冲后压缩技术[9-12]的发展,中红外波段(1.5~5 μm)的超强超短激光得以迅速发展。凭借其长波长的特点,中红外的超强超短激光在强场科学、环境监测、生物医疗、通信、军事、工业等领域[13-16]有着独有的优势。尤其在强场物理领域,中红外激光作为驱动激光具有更长的波长,更高的有质动力势,可以用来驱动产生更高截止频率的高次谐波,产生具有更高能量和更短波长的紫外乃至X射线波段的光子[6]

      中红外激光脉冲的放大主要包含两种方式,其一是利用二阶非线性光参量过程进行放大,其二是通过掺稀土离子或过渡金属离子的晶体进行受激辐射放大。由于后者的放大过程很难产生飞秒的超短脉冲,因此,目前中红外超强超短激光的产生基本上都是基于非线性OPA的方法。首先,在中红外激光光源产生上,可通过近红外激光泵浦的OPA直接产生中红外波段的激光源,但OPA直接产生方法无法同时兼顾超强与超短两个需求,通常适用于微焦量级的飞秒中红外脉冲源产生。为了进一步提升脉冲能量,OPCPA是目前最主流的技术方案,该方法结合了OPA过程与啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA),已实现几十毫焦、百飞秒以下的中红外超强超短激光产生。由于OPA与OPCPA相位匹配带宽等的限制,无法直接获得单光周期的激光,因此研究人员利用改进型的OPA及脉冲后压缩技术,实现了大能量、周期量级中红外激光的输出。

      近年来,随着新型光场调控技术的兴起,具有轨道角动量的新型光场也受到了广泛的关注,如涡旋光、径向偏振光等[17-18]。相比于传统的高斯光束,由于涡旋光具有特殊的强度分布及轨道角动量,在多种科技领域都得到了广泛的应用,包括量子信息、光学捕获和操纵、超分辨显微镜、光通信和高次谐波产生[19-25]等。利用中红外超强超短涡旋激光驱动粒子束及次级辐射,将获得具有轨道角动量特性的高能粒子和辐射源,这在光学物理和材料表征等研究领域可以开辟全新的研究方向。

      文中将系统地介绍中红外参量放大、中红外光啁啾参量脉冲放大、周期量级中红外脉冲产生,以及中红外超强超短激光新型光场调控技术的研究进展,并展望中红外超强超短激光的发展方向。

    • 1961年,Armstrong等人首次提出OPA的概念[7]。OPA利用非线性晶体(例如BBO、KTA等)作为增益介质,在相位匹配条件下,实现泵浦光脉冲ωp(强能量)的能量向信号光脉冲ωs (弱能量)转移的过程,同时得到一束闲频光ωi,该过程是一种二阶非线性过程,原理如图1所示。基于白光超连续谱的OPA具有增益高、调谐光谱范围宽、载波包络相位(CEP)易控制和操作简单等优点,并且无需脉冲后压缩,可直接输出百飞秒以内的中红外脉冲。因此,OPA是产生中红外脉冲的一种紧凑、稳定、高效的方法。

      图  1  OPA过程原理图

      Figure 1.  Schematic diagram of OPA

      2007年,D. Brida等人[26]使用LiIO3晶体,通过OPA直接产生了在3~4 μm范围内可调谐的2 μJ脉冲,重复频率1 kHz,其带宽支持30 fs的变换极限脉宽。Tobias Steinle等人[27]设计了一个利用锥形光纤中光孤子作为种子源的41.7 MHz高重复频率的OPA。该系统实现了1.35~1.95 μm以及2.2~4.5 μm的可调谐范围,脉冲持续时间在200~300 fs,但脉冲能量依旧很低。2008年,Magnus W. Haakestad等人[28]采用ZnGeP2晶体,在6 ns脉冲泵浦的OPA中获得了3~5 μm高能中红外激光光源,在8 µm处获得超过8 mJ,在3~5 µm处获得高达33 mJ,而其脉冲宽度较大,在ns量级。同年,日本Riken组的Eiji J. Takahashi等人[29]利用钛宝石激光器泵浦BBO晶体,获得7 mJ、40 fs的1.4 μm的脉冲。到2015年,Nicolas Thiré等人[30]同样通过钛宝石激光器泵浦BBO,在1.8 μm获得10 mJ、30 fs的脉冲输出。

      2016年,中国科学院上海光学精密机械研究所Yun Chen等人[31]报道了一种高光束质量、宽带可调谐中红外飞秒激光脉冲产生的共线OPA系统。该系统由800 nm钛宝石激光放大器泵浦,利用三级KTA晶体的OPA实现了2.4~4.0 μm的闲置脉冲可调谐范围。3.27 μm时能量可达82 μJ,最大能量转换效率可达14.6%,能量稳定性的0.5 h波动为1.01% rms。如图2所示[31],闲置光光谱的调谐范围实现了2.4~4.0 μm的全覆盖,并且在3.86 μm处,光谱全宽达到800 nm,支持70 fs的傅里叶变换极限脉宽。由于出射的中红外脉冲是闲置光,该出射脉冲的载波包络相位具有被动稳定的特点。

      近年来,利用OPA技术和新型非线性晶体,研究人员已经将中红外波长往更长波的5~10 μm拓展[32-33]。但目前,受限于非线性晶体的大小和损伤阈值,飞秒OPA的最大能量一般限制在几mJ,脉宽在50 fs,要进一步提升脉冲能量,需要使用OPCPA技术。

      图  2  (a) 最终输出的中红外光谱,实线为实测实验结果,虚线对应于数值模拟的光谱;(b) 以3.86 μm为中心的实验结果;(c) 信号光能量随波长的变化;(d) 闲置光能量随波长的变化[31]

      Figure 2.  (a) The final output mid-infrared spectra. The solid lines are measured experimental results, the dash lines correspond the spectra from the numerical simulation; (b) Experimental results centered at 3.86 μm; (c) Signal energy versus wavelength; (d) Idler energy versus wavelength[31]

    • OPCPA是将OPA与CPA技术两者相结合,产生超强超短脉冲的一种新方法。1992年,立陶宛维尔纽斯大学的A.Dubietis等人[8]将CPA中基于增益介质的放大器替换为基于非线性过程的参量放大器,首次提出OPCPA的思想,并利用BBO晶体,使得啁啾脉冲功率通过光参量放大提升了2×104,输出脉宽被压缩到70 fs,获得了0.9 GW的输出功率。图3即为OPCPA技术的基本原理图,OPCPA具有高增益、宽带宽、高信噪比等特点,OPCPA成为获得强场中红外超短脉冲的关键技术之一。随着大口径新型激光晶体的发展,以及大能量皮秒泵浦激光系统的不断升级,中红外超强超短激光也得到了迅速的发展。

      图  3  OPCPA原理示意图

      Figure 3.  Schematic diagram of OPCPA

      2011年,奥地利维也纳科技大学的A.Baltuška研究组[34]利用250 mJ的1064 nm皮秒脉冲泵浦两级KTA晶体,在3.9 μm获得了8 mJ、83 fs的脉冲输出。随后,该OPCPA系统在2015年进行了升级[35],将泵浦能量提升至1 J,获得了35 mJ、80 fs,对应0.44 TW峰值功率的超强超短中红外激光,该系统也是目前报道的3.9 μm波段输出能量最高的OPCPA装置。

      在国内的中红外超强超短激光研究方面,Pengfei Wang等人[36]在2018年,利用OPCPA技术获得了5.5 mJ的4 μm激光脉冲输出,重复频率为100 Hz,脉冲宽度105 fs。该方案首先利用OPA获得4 μm的种子脉冲,随后信号光经Öffner展宽器时域展宽至50 ps,通过两块10 mm厚的KTA晶体放大,在第二级获得了11.8 mJ的输出,最后经双光栅对压缩器压缩,获得了5.5 mJ、105 fs的能量输出,对应52 GW的峰值功率。图4(a)显示了其第二级KTA放大能量随泵浦能量的线性增长关系,并且可以看出信号能量还未达到饱和状态,可进一步提升泵浦能量来提高脉冲输出能量。并且从图4(b)的输出光谱可以看出,在放大过程中光谱形状和宽度均得到了很好的保留。

      图  4  (a) 第二级OPA的信号脉冲能量与泵浦能量的关系; (b) 整个OPCPA系统的光谱演变[36]

      Figure 4.  (a) Amplified signal pulse energy of the second-stage OPA as a function of pump energy; (b) The spectrum evolution throughout the OPCPA system[36]

      到2019年,Pengfei Wang等人[37]在1.5 μm波长实现了26.5 mJ、60 fs的脉冲输出,对应0.44 TW。

      2015年,上海交通大学Liejia Qian课题组[38]在OPCPA的基础上提出一种准参量啁啾脉冲放大技术(Quasi-parametric Chirped Pulse Amplification, QPCPA),该方法利用Sm3+掺杂的YCOB晶体,通过材料损耗去除闲置光脉冲,从而仅放大信号光,因此可以有效地提高参量过程的转化效率。在高斯泵浦情况下,实现了宽带啁啾脉冲的放大,对应的泵浦光损耗为70%,信号光转化效率为41%,超过了之前报道的最先进的OPA的结果。该团队还在2015年设计了一套2.2 μm的基于LiNbO3晶体的100TW超强超短OPCPA激光系统[39],如图5所示,但该方案目前还未搭建完成。

      图  5  100 TW中红外激光系统示意图[39]

      Figure 5.  Schematic of the 100-TW-level mid-infrared laser system[39]

      OPCPA具有高时间对比度、宽增益带宽、波长可调谐和低热效应等优点,但是由于OPCPA过程中存在相位失配,并且高阶色散难以补偿,输出脉宽受限于数十飞秒。

    • 为了获得周期量级的中红外超短脉冲,研究人员对OPA方案进行了多种改进,提出了多种基于OPA的周期量级脉冲直接产生的方法。2011年,日本Riken研究组Eiji J. Takahashi等人提出了双啁啾光参量放大(Dual-chirped Optical Parametric Amplification, DC-OPA)技术[40]。该方法利用带啁啾的宽带泵浦光和信号光,通过精确控制两者相对啁啾与符号,实现了宽光谱闲置光的直接输出,并且能量转化效率也更高,最后经过精密的色散补偿,可以直接获得小于2个光周期的中红外脉冲。2018年,该团队利用皮秒脉冲激光泵浦的DC-OPA技术,分别在1~2 μm获得了100 mJ量级的红外光束[41]和在3.3 μm获得了30 mJ量级的中红外光束[42]

      另一种直接产生周期量级中红外脉冲的方法是频率域OPA(Frequency Domain OPA, FOPA)[43],该技术是用一对光栅和一对凹面镜组成一个4f系统,在傅里叶平面内,肩并肩地放置一系列晶体,这些晶体的最佳相位匹配波长都不相同。这样,这一系列晶体的总的增益带宽是由每个晶体的增益带宽和晶体的数量综合决定的。因此,通过合理设计FOPA参数,可以直接获得宽带大能量的激光脉冲。而且,由于OPA过程发生在光栅对中,所以,FOPA过程不需要额外的展宽器和压缩器。2017年,V. Gruson等人[44]在傅里叶平面内用2块BBO晶体通过240 mJ能量泵浦得到了1.8 μm波段30 mJ、11.6 fs的激光输出。表1[41]列出了基于OPA产生的中红外飞秒激光的不同特性比较。

      表 1  OPA、OPCPA、FOPA和DC-OPA产生的中红外飞秒激光的特性[41]

      Table 1.  Characteristics of OPA, OPCPA, FOPA, and DC-OPA for generating MIR femtosecond laser[41]

      OPAFOPADC-OPAOPCPA
      Pump duration Transform limit Chirped Chirped Transform limit
      Pump spectrum Broad Broad Broad Narrow
      Seed duration Transform limit Transform limit Chirped Chirped
      Seed spectrum Broad Broad Broad Broad
      Synchronization Automatic Automatic Automatic Active stabilization
      Energy scaling Difficult Possible Easy Easy
      Output pulses Signal and idler Signal Signal and idler Signal and idler
      Conversion efficiency 30%–40% 14% 30%–40% 10%–30%
      Highest output energy A few millijoules Dozens of millijoules Hundred millijoules Hundred millijoules and above
      Few-cycle pulse generation? Yes Yes Yes Yes
      Preserve CEP stability of seed? Yes No Possible Possible
      Wavelength tunability Excellent Not reported Excellent Good
      Compressor Not needed Not needed Most often but not always needed Needed
    • 目前,常见的脉冲后压缩方案主要为:充气空心光纤[9, 45]、气体腔[11, 46]、成丝[47-48]、块体材料[12]、多薄片级联[10]等方案,表2总结了这几种脉冲后压缩方法的不同特征。

      表 2  几种脉冲后压缩技术的特征比较

      Table 2.  Characteristics comparison of several pulse post-compression techniques

      HCFGas-filled cellFilamentBulk materialThin plates
      System Complexity Complexity Easy Easy General
      Medium Gas Gas Plasma Solid Solid
      Spectrum broadening effect SPM SPM SPM and high-order Kerr/plasma SPM SPM
      Chirp compensation Needed Needed Normal needed or self-compression Normal needed or self-compression Normal needed or self-compression
      Maximum energy mJ mJ mJ mJ mJ
      Efficiency 60% 80% 80% 80% 80%
      Compressed factor 2-10 2-10 2-10 2-10 2-10
      Pulse duration Single cycle Single cycle Single cycle Single cycle Single cycle
      N2 tunability? Gas and pressure Gas and pressure Gas and pressure No No
      Nonlinearity increasing? Pressure and HCF length Pressure and number of passed Pressure Bulk thickness Plates number
      Beam profile Excellent General Excellent General General

      充气空心光纤是目前最常用的脉冲后压缩方案,由于空心光纤内部充入了惰性气体,因此电离阈值远高于固体材料,可支持大能量的脉冲传输。另一方面,由于光纤长度非常长,可以大大延长脉冲与气体的作用长度,从而获得超宽带的超连续谱。通过控制空心光纤内的气体种类和气压,可以灵活控制非线性的大小。利用空心光纤的脉冲后压缩方案,Pengfei Wang等人[36]将OPCPA获得的5.5 mJ、4 μm激光脉冲进一步压缩至21.5 fs,能量为2.6 mJ。由于4 μm脉冲是OPA闲置光输出,因此其载波包络相位是被动稳定的,文章对其载波包络相位也进行了测量,为370 mrad。

      由于受到增益材料的尺寸以及系统光学元件的损伤阈值的影响,单路OPCPA输出功率的进一步提升受到了限制,需要发展峰值功率提升新方案,而其中一种方法就是多路激光相干合束方案。2021年,Junyu Qian等人[49]将两路OPCPA输出的大能量中红外飞秒激光同步注入充满氪气的空心光纤内,利用空心光纤相干合束压缩技术获得了2.7 mJ、22.9 fs的4 μm的中红外超强超短脉冲输出,实验装置如图6所示。同时,由于空心光纤的模式选择效应,这种方法有效解决了传统相干合束引起的光斑劣化,获得了非常优质的高斯型光斑。该方法可以进一步扩展到4路以及更多路激光合束,为超强超短激光峰值功率的进一步提升提供了一种有效手段。

      图  6  4 μm OPCPA系统及空心光纤相干合束系统原理图[49]

      Figure 6.  Schematic of the 4 μm OPCPA system and the HCF-based coherent beam combination system[49]

      Beijie Shao等人,将多薄片级联与非线性自压缩相结合,提出了一种新型的周期量级中红外脉冲产生方法[50],在1.9 μm的中心波长下产生了0.52 mJ、20 fs、1 kHz的脉冲直接输出,能量稳定性为0.7%(RMS)。该方法克服超强超短脉冲在材料内部自聚焦而对材料造成的损伤,并且利用相应的材料负色散来精确补偿非线性正色散,不需要任何额外的色散补偿元件,可直接输出周期量级中红外脉冲。表3总结了目前不同波段下中红外超强超短激光的典型参数。截至2018年的中红外超强超短激光发展趋势如图7所示。

      表 3  不同波段下中红外超强超短激光的典型参数[12, 32, 35, 37, 42, 44, 51-53]

      Table 3.  Typical parameters of mid-infrared ultra-intense ultrashort lasers at different wavelengths[12, 32, 35, 37, 42, 44, 51-53]

      Wavelength/μm1.51.82.23.33.9510
      OPA or OPCPAOPCPAFOPAOPCPADCOPAOPCPAOPAOPA
      CrystalKTABBOBBOMgO:LiNbO3KTAZGPBGS
      Energy26.5 mJ30 mJ250 μJ31 mJ20 mJ3.4 mJ0.81 µJ
      Repetition frequency100 Hz10 Hz100 kHz10 Hz20 Hz1 kHz100 kHz
      Pulse width/fs6011.616.5703089.4126
      Post-compressionNoneNoneNoneNoneBulk materialNoneNone

      图  7  中红外超强超短激光发展趋势(截至2018年)

      Figure 7.  Development trend of mid-infrared ultra-intense ultrashort lasers as of 2018

    • 近年来,涡旋光因其环形的强度分布和携带轨道角动量而得到了广泛的关注与研究,这种新光光场可以被广泛应用于各个领域和研究,如量子信息、光学捕获和操纵、超分辨率显微镜和高阶谐波产生等[19, 21-22,25, 54]。尤其在强场激光领域,大能量飞秒中红外涡旋激光可用驱动高次谐波产生,产生带有轨道角动量的KeV光子,以及其他二次辐射。

      目前,产生中红外超短超强涡旋光的方法主要是光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator, OPO)和OPA,如2011年Katsuhiko Miyamoto等人[55],利用1 μm涡旋光泵浦的OPO系统,在2 μm获得了0.5 mJ的涡旋光输出。而2012年,Keisaku Yamane等人[56]则利用OPA获得了飞秒涡旋光的输出。

      对于大能量中红外超强超短涡旋光而言,OPO和OPA均无法完全支持,而OPCPA是产生大能量涡旋光的切实可行的一种方法。2020年,Junyu Qian等人[57]通过特殊设计的相位调控元件获得涡旋种子激光,相继经过高增益光学参量放大和精密色散控制后,获得了脉冲能量达10 mJ、脉冲宽度百飞秒量级的中红外涡旋激光。研究人员还进一步验证了输出激光的拓扑荷数,证实了该方法对于涡旋特性的高保真度。

      由于OPA晶体是双折射的,所需的相位匹配条件只能满足具有固定线性偏振组合的相互作用波,而信号光偏振的任何变化都会导致巨大的相位失配,从而显著降低OPA的增益。因此,对于径向偏振光而言,通过光参量的方法获得大能量径向偏振脉冲存在一定的难度。Haizhe Zhong等人[58]近期提出了一种特殊设计的OPA方案,该方案利用简并OPA过程,使得两个正交极化的信号o光和e光能同时满足相同的II类相位匹配条件(eo+e)并被同步放大,最终在1.6 μm处获得了飞秒径向偏振光的OPA直接输出。

    • 文中总结了中红外超强超短脉冲的主要技术方案,针对OPA、OPCPA、周期量级中红外脉冲产生与中红外新型光场调控技术的研究进展进行了讨论。随着超强超短激光技术的不断发展,激光脉冲峰值强度不断攀升,中红外的超强超短激光也迎来了新的发展机遇与挑战。目前,中红外超强超短激光脉冲的峰值功率还未突破TW量级,其中一个重要的因素是非线性晶体尺寸的限制,中红外脉冲的能量提升还远未达到如800、1064 nm等波长的水平。并且,由于在中红外波段的测量反馈方法和设备较少,对中红外超强超短脉冲的各参数测量,尤其是对周期量级中红外脉冲宽度的直接、简单测量的方案还有非常大的发展空间。从近些年来中红外激光的发展趋势看,中红外激光脉冲主要向着更高的能量、更长的波长、更短的脉冲宽度以及更高的重复频率方向发展。

      在更长波长的中红外激光技术方面。利用新型激光晶体OPA和OPCPA,如BGSe等,可将激光波长往5~10 μm,乃至远红外波段拓展,但波长越长,脉冲能量的转化效率也越低,如何实现更长波长的红外激光高效产生是目前面临的挑战之一。

      在发展高平均功率中红外激光技术方面。可基于高平均功率的皮秒泵浦源,利用基于空心光纤的脉冲后压缩系统,实现高重频、高平均功率、周期量级脉冲宽度的中红外激光脉冲输出。例如,可利用高平均功率(200 W)的皮秒泵浦源以及HCF的脉冲后压缩系统,实现平均功率为20 W,脉宽为20 fs左右,且重复频率为100 kHz的中红外激光脉冲输出。

      在高单脉冲峰值功率激光技术方面。目前,实现大能量中红外脉冲输出的最可靠的方案依旧是OPCPA技术,因此,利用大口径的中红外非线性晶体以及大能量纳秒泵浦源,例如通过三级OPA放大,20 J纳秒激光器泵浦的OPCPA系统,未来有望实现峰值功率为10 TW百飞秒量级脉宽的中红外激光脉冲输出。甚至,上海交通大学Liejia Qian课题组还提出了基于LiNbO3晶体的100 TW超强超短OPCPA激光系统[39]。目前,基于HCF的脉冲后压缩方法由于受到自聚焦效应的限制,无法将其应用于更高峰值功率(比如说数十至百太瓦量级)的脉冲压缩。因此,发展新型脉冲后压缩方案,如梯度气压的空心光纤压缩、多通腔压缩、薄片级联的光谱展宽并压缩,或利用大能量、多波段激光脉冲的相干合成等技术,实现百太瓦量级单周期脉宽的中红外激光系统也是未来的一个重点研究方向。

参考文献 (58)

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