上海光機所首次演示大能量中紅外飛秒渦旋雷射系統

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Photonics Research2020年第3期Editors』 Pick：

Junyu Qian, Yujie Peng, Yanyan Li, et al. Femtosecond mid-IR optical vortex laser based on optical parametric chirped pulse amplification[J]. Photonics Research, 2020, 8(3): 03000421

主編點評

2018年諾貝爾物理學獎有一半獎金授予發明啁啾脈衝放大技術（CPA）產生高強度、超短光脈衝。在這項技術發明之前，雷射脈衝的峰值功率被光增益材料所能承受的極限所限制，CPA正是一個巧妙繞過這個瓶頸來實現光脈衝的放大的技術！

在CPA中，Gérard Mourou和他當時的學生Donna Strickland首先利用可以在空間上展寬雷射脈衝的器件（如光柵）將不同頻率的光分散開，低頻光比高頻光走的路徑要短，導致高頻光要落後於低頻光，由此，光脈衝在時間上被拉寬。基於能量守恆，直接結果是：脈衝光的峰值功率降低。不同頻率光分散越開，走的路徑差別越大，脈衝被拉寬的程度也越大，導致的峰值功率降低越多。此時的脈衝峰值已經遠遠低於破壞增益介質的閾值。這時，再將展寬的脈衝通過增益介質放大，由於脈衝的功率已經全方位的降低，所以，能夠在避免功率超過損失增益介質閾值的前提下，將雷射脈衝放大更多倍（上百萬甚至更多）。

接下來，同樣通過光柵這一類有色散效應的器件，再對展寬的脈衝進行和開始展寬完全相反的處理：低頻光比高頻光走的路徑要長，抵消第一次時間上拉伸脈衝裡不同光頻的效應，從而壓縮光脈衝到原來的脈寬，最終得到脈衝峰值比之前高好幾個數量級的新脈衝。

結合光參量放大技術（OPA）和啁啾脈衝放大技術，中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室的研究團隊首次演示了一種基於光參量啁啾脈衝放大（OPCPA）實現中紅外高能量飛秒渦旋光雷射系統。

楊蘭主編 華盛頓大學

渦旋光是指空間相位呈螺旋形的光束。與傳統的高斯光束相比，渦旋光具有環形的強度分布和軌道角動量，這使其在量子信息、光捕獲和操縱、超解析度顯微等前沿研究領域具有重大的應用價值。中紅外高峰值功率的渦旋雷射在驅動高次諧波產生具有軌道角動量的X射線方面具有重大應用前景，因而光學旋渦的產生和操控受到了廣泛的關注。但是，由於螺旋相位板、空間光調製器等器件的損傷閾值限制和透射率低等因素，難以使用這些器件直接產生高峰值功率的渦旋雷射。近年來，光學參量啁啾脈衝放大（OPCPA）技術結合了光學參量放大和啁啾脈衝放大技術兩者的獨特優勢，例如高增益、高保真度、低熱效應和可調諧波長等，在高峰值功率雷射系統中被廣泛採用。因此，利用渦旋光產生和OPCPA放大技術成為產生高能飛秒中紅外渦旋光的有效手段。

中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室的研究團隊首次演示了一種基於OPCPA的中紅外高能量飛秒渦旋光雷射系統。研究結果發表在Photonics Research 2020年第3期，並被主編選為Editors』 Pick。

在實驗中，通過使用兩級OPCPA放大器放大了由螺旋相位板產生的4 μm渦旋光雷射脈衝，經過壓縮後獲得了具有20 Hz，9.53 mJ，119 fs和拓撲荷數為1的4 μm波段中紅外渦旋雷射。渦旋光的種子由4 μm飛秒雷射器通過精密加工的矽基螺旋相位板產生，拓撲荷數為1。所產生的渦旋種子脈衝相繼經過傳統的ffner型展寬器、基於KTiOAsO4的兩級OPCPA放大和雙光柵壓縮器後，獲得高能量的飛秒渦旋輸出。

此外，研究人員還通過平面波幹涉法驗證了放大後的渦旋脈衝的拓撲荷數，從而證實了OPCPA放大過程對於渦旋特性的高保真度。

基於OPCPA的飛秒中紅外渦旋光雷射示意圖

研究人員認為，這種高能量中紅外飛秒渦旋光雷射源為強場雷射物理學領域提供了一種新工具，並且可以用作驅動產生攜帶軌道角動量、光子能量達keV量級的高次諧波以及其它次級輻射。該方法可以進一步擴展到其他波長以及更高峰值功率的渦旋光雷射系統，將極大地推動相關領域的發展。

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