进展 | 单块晶体中级联二阶非线性过程产生高对比度飞秒脉冲

随着超短超强激光技术的发展，目前人们已经能够在数十飞秒的光脉冲中产生高达10PW的峰值功率，聚焦光强超过了10²³W/cm²。这样的光场能够在实验室内创造出具备超高能量密度、超高温度、超强光电场、超强磁场和超快时间尺度的综合性极端物理条件，在激光加速、激光聚变、等离子体物理、材料科学、阿秒科学等领域具有重要应用。

然而对于具有预脉冲与自发辐射基底的飞秒脉冲而言，光强提升的同时也会导致这些噪声的提升，当噪声光强超过10¹¹W/cm²时，所产生的预电离等效应会严重影响主脉冲与物质相互作用的效果，因此提升主脉冲与噪声强度的比值，即时间对比度，是超快超强激光脉冲需要重点关注的研究内容之一。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心魏志义研究团队多年来一直致力于飞秒脉冲激光放大及时间对比度提升的研究。早在2010年他们提出过非共线飞秒光参量放大产生高对比度种子脉冲的方法，将对比度提升到了10⁻¹¹量级【Opt. Lett. 35, 3096(2010)】，并应用于飞秒超强激光系统中，研制成功对比度达10⁻¹⁰量级、峰值功率达1.16PW的飞秒超强激光，不仅有效解决了对比度的问题，还创造了该类研究当时的最高峰值功率【Opt. Lett. 36, 3194(2011)】。

在国家“十二五”重大基础设施建设项目的支持下，近年来该研究组承担了北京怀柔“综合极端条件用户装置”中超快光场系统的部分工作。在飞秒激光超快实验子系统（XD1）的研究建设任务中，该组博士后王羡之通过与子系统负责人王兆华副研究员、合作导师魏志义研究员的密切合作，提出了通过在单块非线性晶体中级联两个二阶非线性过程并配合光谱滤波提升飞秒放大激光对比度的新方案，利用极为简单的结构直接产生了脉冲能量数百微焦耳的高稳定高对比度飞秒激光脉冲。

图1 系统结构图。SPF:短通滤波片。LPF:长通滤波片

其原理方案如图1所示，由前级飞秒激光放大器输出的光脉冲经过第一块滤波片光谱整形之后入射到BBO非线性晶体中先产生二倍频，之后倍频光与基频光的短波部分进行差频产生波长更长的闲频光；新产生的闲频光被第二块滤波片选出。在3mJ入射能量下，得到了单脉冲能量570μJ、主脉冲对比度高达10⁻¹¹的输出结果，且在14小时内的平均功率抖动RMS低至0.076%。

该工作通过级联两个二阶非线性过程，在较低的入射光强下得到了等效于三阶非线性效应的对比度提升效果，无需真空系统，且两个过程发生在同一块晶体中，也无需延时控制，因此可以在空气中直接产生数百微焦的高稳定高对比度飞秒脉冲，大大简化了对比度提升单元的结构，在飞秒超强激光装置研究中具有极大的应用潜力。

图2. 产生的高对比度飞秒激光脉冲的参数：(a) 各个位置处的光谱；(b) 入射脉冲与输出脉冲的时间对比度；(c)输出脉冲宽度；(d) 输出脉冲的功率稳定性以及近远场光斑分布

相关结果发表于最近的Optics Letters【Vol. 47, No. 19, pp. 4981-4984 (2022)】上。这也是该团队在飞秒激光时间对比度提升方面最新获得的创新成果，并为怀柔综合极端条件用户装置中飞秒激光超快实验子系统的建设提供了重要支撑。前序成果包括Chin. Phys. Lett, 31, 014207(2014)、Chin. Phys. Lett, 34, 024205(2017)、Chin. Phys. Lett, 38, 074202(2021)等。这项工作也得到了中科院先导专项和国家自然科学基金的支持。

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