级联飞秒四波混频技术及其在超强超短激光中的应用研究

Femtosecond laser pulse generated by optical parametric amplification (OPA) has a wide variety of applications in the field of ultrafast spectroscopy. Different from OPA process, several spatially separated and wavelength-tunable femtosecond pulses can be generated based on cascaded four-wave mixing（CFWM） in a thin transparent plate，which has made excellent progress in the last ten years. In this project, based on our in-depth understanding of CFWM process and technology innovation，femtosecond pulses with the energy of more than 250 μJ and temporal contrast better than 10^11 are generated firstly and then their angular dispersion compensation are explored thoroughly . Finally, the high-performance CFWM signals will be used in the research of temporal contrast characterization and seed generation for peta-watt OPCPA laser facility. Besides，since the multi-colored sidebands are comparable to several OPA devices to a certain extent, they can be used in two-dimensional electronic spectroscopy，two-color spectroscopy and microscopy in which two or more femtosecond laser pulses with different center wavelengths are needed.

基于光参量放大（OPA）技术产生的飞秒激光脉冲在超快激光光谱等很多领域有着重要的应用，不同于OPA的是，基于透明薄片中的级联四波混频可以同时产生多个空间分离及中心波长可调的多色飞秒激光脉冲，因而在过去十年里取得了重要进展。本项目中，我们将首先继续深入研究多色飞秒激光脉冲产生技术，通过技术创新获得大于250毫焦，对比度大于10^11的多色飞秒激光脉冲，并将对其角色散补偿进行详细研究。然后，我们还将把获得的高性能多色飞秒激光脉冲创新性地拓展应用于超强超短激光脉冲的对比度测量研究以及OPCPA拍瓦装置种子光产生领域。由于这些高性能多色飞秒激光，一定程度上相当于多个OPA装置，未来他们还会在需要两色或多色飞秒激光的超快激光光谱和多色光非线性显微成像等重要研究领域有重要的应用前景。

本项目研究了基于级联四波混频的非线性频率变换特性，基于三阶非线性过程高能量高对比度信号光的获取，以及用于高能激光装置脉冲表征的四阶自相关对比度单发测量技术。基于级联四波混频，我们研究了入射光偏振特性以及空间相位向信号光的传递特性，实验中我们利用把入射光调制成涡旋光或者矢量偏振光，获得了同心多色超快的涡旋光以及矢量光；利用共线的三阶非线性过程，我们研究了线聚焦交叉偏振波产生以及光谱展宽再滤波获得高能量高对比度信号光，获得信号光能量最高可以到400微焦，而且由于是三阶非线性过程的信号光，其对比度将极大提升；此外，我们还研究了四阶自相关用于对比度单发测量，开发了两套四阶自相关仪，他们的测量动态范围最高可以到10^12，单发测量时间窗口68ps，时间分辨率200fs，这样的四阶自相关对比度单发测量装置将协助拍瓦激光装置的对比度测量以及对比度提升。以四波混频三阶非线性过程为核心，获得高对比度高能量种子光以及研发高性能对比度单发测量装置，将在超强超短激光装置性能提升中发挥重要作用。