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前沿进展 | 超快径向偏振光的高增益光参量放大

两万人都 爱光学 2022-05-13
收录于合集 #前沿进展 125个

“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读
深圳大学微纳光电子学研究院钟亥哲课题组与上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室钱列加教授合作，在如何将矢量光场推进到超快超强领域方面取得重要进展。合作团队创新设计了对偏振不敏感的超快光参量放大构型，解决了径向偏振矢量光场的超快放大难题，实现了对飞秒径向偏振光>1000倍的高增益光参量放大。研究成果以“Polarization-insensitive, high-gain parametric amplification of radially polarized femtosecond pulses”为题于1月11日发表于Optica。2021 | 前沿进展

2 研究背景
径向偏振光具有轴对称的偏振结构。以高数值孔径透镜对径向偏振光聚焦，可以得到超越衍射极限的焦斑，并且，在焦点附近产生极强的纵向电场，提供超强功率密度的环境条件。这对增强光与物质之间的相互作用，推进超快超强激光在强场物理等相关领域的应用有着重要应用前景，例如粒子加速，质子治疗，激光聚变等等。但是，现有超快激光技术往往局限于线偏振光，无法适应径向偏振光非均匀偏振分布的光束特点，导致径向偏振超快超强激光的产生放大极为困难。2018年诺贝尔物理学奖获得者Gérard Mourou和Donna Strickland提出的啁啾脉冲放大技术（Chirped-Pulse Amplification，CPA）能够大幅提升超快激光的峰值功率。借助于CPA技术，人们将（线偏振）超快锁模激光的峰值功率从MW提升至如今的PW水平（提高了约9-10个数量级），由此将光与物质的相互作用研究推进到之前难以想象的相对论强激光物理新领域。但是，钛宝石（Ti:sapphire）等宽带增益介质的受激辐射往往都是线偏振的；光参量放大（Optical Parametric Amplification，OPA）更是对偏振高度敏感。径向偏振光中包含了一切可能的线偏振分量，这从根本上限制了CPA技术在径向偏振光等矢量光场上的应用。目前已报道径向偏振光的最高峰值功率为85 GW，与现如今线偏振超快激光>10 PW的峰值功率相比，有着非常巨大的差距。
3 研究创新点1
对偏振不敏感的超快光参量放大构型
相位匹配是一切非线性光学过程的基本要求，相互作用的不同脉冲激光须满足特定的偏振条件。因而，一般情况下，只有o偏振、或者e偏振的（线偏振）信号光能够满足相位匹配。
针对以上问题，合作团队创新设计了对偏振不敏感的超快光参量放大构型。任意偏振的信号光都可分解为两束相互正交的线偏振光，分别对应非线性晶体的o偏振光与e偏振光。而在波长简并的II类OPA条件下，o偏振与e偏振的信号光就都能够满足相位匹配的要求（Δko = Δke = 0），得到同步的光参量放大。正因为是“以相同泵浦光对信号光的o偏振与e偏振分量同步光参量放大”，在OPA的任意放大阶段，信号光正交的两种线偏振分量均可得到相当程度的放大，令放大后的信号光保持原有偏振；并且，其增益的大小与信号光的偏振完全无关。
上述结论并非仅限于完全波长简并的情况。在近简并的波长条件下，例如800 nm的泵浦光与1610 nm的信号光，只要信号光正交的o偏振与e偏振分量的相位失配量相当（|Δko| ≈ |Δke|），同样可以实现对偏振不敏感的光参量放大。更为重要的是，对简并或者近简并的不同波长的信号光，满足|Δko| ≈ |Δke|这一条件的晶体角度是固定的，为简并波长（1600 nm）的II类相位匹配角θ。宽带信号光的不同波长分量，均可在该晶体角度下实现对偏振不敏感的光参量放大。这也为将来以径向偏振的OPA为基础，进一步发展径向偏振的OPCPA技术奠定了理论基础。
图1 （a）对偏振不敏感的II类简并光参量放大示意图；（b）在满足800 nm/1600 nm II类相位匹配的β-BBO晶体中（θ = 28.7o），o偏振及e偏振的不同波长信号光的小信号增益曲线。
3 研究创新点2
飞秒径向偏振光的高增益光参量放大
基于所提出对偏振不敏感的II类简并光参量放大构型，合作团队首次实现了对径向偏振光的超快光参量放大。实验上，合作团队以~280 fs的800 nm钛宝石啁啾脉冲激光作为泵浦光，对1610 nm的径向偏振光参量放大，得到了>1000倍的径向偏振OPA增益。放大后的径向偏振光不仅较好地保持了原来的光斑轮廓以及径向偏振特性，而且，得益于飞秒OPA中的混频效应，径向偏振光的脉宽由放大前的~400 fs变为~175 fs。
图2 径向偏振的光参量放大实验装置图。
图3 （a）输出能量及增益曲线；（b）放大前后径向偏振光的光斑轮廓。
3 研究创新点3OPA晶体的波片效应及补偿在完全相位匹配的情况下，OPA过程本身并不会改变信号光的初始相位，但是，作为非零级波片的OPA晶体，会对宽带宽的径向偏振光引入与频率相关的相位延时，令不同频率的径向偏振光出现不同程度的偏振变化。OPA晶体的波片效应及影响会随OPA晶体长度或者径向偏振光带宽的增加而越发显著。为了消除这样的频谱域相移，合作团队验证了以另一块与OPA晶体完全相同的非线性晶体，对径向偏振信号光相位的预补偿方案。正交放置的两块非线性晶体将起到“零级全波片”的作用，任意频率的径向偏振光都能够在经过这两块非线性晶体之后，依然保持其原来的相位延时。图4 OPA晶体为“1/4波片”时，径向偏振光放大前后的光斑轮廓及偏振分布。（a）无相位预补偿；（b）相位预补偿。4 总结与展望
针对径向偏振等矢量光场的超快放大难题，合作团队创新设计了对偏振不敏感的超快光参量放大构型，实现了对飞秒径向偏振光>1000倍的高增益光参量放大。该研究工作为破解径向偏振光峰值功率的受限瓶颈提供了新的思路；在此基础上，将径向偏振的光参量放大（OPA）与啁啾脉冲放大技术（CPA）相结合，构建径向偏振的光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）系统，更是有望将径向偏振光的峰值光强提升至相对论强度，为强场物理领域的研究提供前所未有的实验手段。该工作由深圳大学和上海交通大学合作完成。深圳大学钟亥哲副教授为论文第一作者，上海交通大学钱列加教授为论文通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金重大项目(61490713)、深圳市重点实验室等项目的资助。论文链接：https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-1-62&id=446429
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