基于电光效应的新型可调谐宽带光参量放大技术研究

Optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) is the key process to obtain ultra-short time-scale and ultra-high peak power pulse. Its gain bandwidth and conversion efficiency directly determine the compressible time-scale and the peak power of the output pulse. In this project, the electro-optical effect and the OPCPA are applied in a single crystal simultaneously, and a new non-collinear phase matching technology is developed. This technology can precisely compensate for the material dispersion induced phase mismatch within the crystal. The OPCPA can thus be achieved with broad bandwidth and high gain. Take the linear chirped signal pulse at the wavelength of 808 nm amplified by pumping light at the wavelength of 532 nm as an example, this scheme is analyzed theoretically and verified experimentally with DKDP crystal. Meanwhile, the scheme of OPCPA with tunable central wavelength at the waveband of 800-1000 nm is designed. By optimizing the parameters including electric intensity, non-collinear angle, phase-matching angle and deuterium content, the maximum tuning range of central wavelength of gain bandwidth and the variation of spectrum are analyzed. This project will develop a general technical scheme of OPCPA with tunable wavelength based on the electro-optical effect and provide new technology for ultra-short petawatt-class laser pulse generation at different wavelengths.

光参量啁啾脉冲放大是获得极短时间尺度、超高峰值功率激光脉冲的关键环节，其增益带宽和转换效率直接决定了输出脉冲的可压缩时间尺度和峰值功率。本课题提出把电光效应和光参量啁啾脉冲放大同时应用在单块晶体中，发展出一种新型非共线相位匹配技术，在晶体内部能够精确补偿材料色散导致的相位失配，实现宽带高增益的光参量啁啾脉冲放大。以526.5nm波段泵浦光放大808nm波段线性啁啾信号光为例，利用 DKDP晶体对该技术方案进行理论分析和实验验证。同时，针对在800-1000nm波段中心波长可调谐的光参量啁啾脉冲放大方案进行设计。通过优化电场强度、非共线角、相位匹配角和晶体含氘量等参数，详细分析增益带宽中心波长的最大调谐范围及光谱变化特性，形成基于电光效应的波长可调谐光参量啁啾脉冲放大总体技术方案，为不同波段拍瓦级超短激光脉冲产生储备新技术。

光参量啁啾脉冲放大技术是获得极短时间尺度、超高峰值功率激光脉冲的关键环节，其直接决定了输出脉冲的可压缩时间尺度和峰值功率。本课题围绕该领域的关键技术难题和预期目标，利用晶体电光效应对光参量放大过程进行调控，从而实现宽带高增益的光参量放大，并以DKDP晶体为例进行理论分析和实验验证，形成了基于电光效应的波长可调谐宽带光参量放大技术方案。同时，本项目实验验证了利用非线性光学效应测量线性电光系数的方法，给出了DKDP晶体的电光系数与氘化率的关系式，为KDP类晶体在激光领域的应用提供了重要的基础参数。并针对KDP、DKDP等晶体材料非线性光学器件，研究了基于电光效应对于不同含氘量DKDP非线性晶体四次谐波产生特性，为提高深紫外激光输出能量稳定性提供了新思路。在此研究基础上，本项目还首次实验验证了LBO晶体的电光效应，为将来LBO晶体电光效应的研究和应用提供了参考。并进一步提出利用非线性光学晶体电光效应对生成的高阶庞加莱光束(HOPB)偏振态(包括椭圆率和方位角)进行调制的方法，并设计了相应的系统开展相关实验研究，为后续矢量光场的研究奠定了基础。此外，项目组还发展了利用深度学习方法对三维激光损伤定位。利用该方法，在级联光学元器件中对8微米量级的微小光损伤三维定位精度进行了实验验证，充分证明了该方法在光损伤三维精确定位与预判中的可行性。本课题执行期间相关研究结果发表在Optics Express、Photonics、Optik等学术期刊上，共16篇，其中SCI论文11篇，申请发明专利6项，指导博士研究生毕业论文获得全国光学工程学科优秀博士论文，相关研究成果也获得中科院先导A子课题后续资助(XDA25020302)。