Høj effektivitet og lav støjforstærkning af ultrakorte impulser ved kvasi-parametrisk forstærkning

Siden den tidligste demonstration af chirped-pulse amplification (CPA) og optisk parametrisk chirped-pulse amplification (OPCPA) har femtosekundlasere været i stand til at levere ultrahøje spidseffekter op til ti petawatt (PW), og derved banet vejen for kompakte partikelacceleratorer og røntgenkilder.

For yderligere at øge spidseffekterne er der behov for laserforstærkningssystemer med både høj konverteringseffektivitet og stor båndbredde. CPA-laserforstærkere lider dog af relativt snæver forstærkningsbåndbredde, hvorimod OPCPA'er lider af relativt lav signaleffektivitet eller pumpeudtømning på grund af tilbagekonvertering.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af forskere, ledet af professor Liejia Qian fra Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Kina, og kolleger har demonstreret et ultrahøjeffektivt og støjsvagt system af kvasi-parametrisk chirped-pulse amplification (QPCPA), som er en variation af OPCPA ved at sprede tomgangshjulet med stærk krystalabsorption.

Tomgangsdissipationen hindrer tilbagekonverteringseffekten og muliggør QPCPA-ydeevnen med høj effektivitet, stor båndbredde og robusthed mod fasemismatch. De demonstrerede eksperimentelt 56 % energieffektivitet for et 810 nm signal konverteret fra en 532 nm pumpe, eller tilsvarende 85 % pumpeudtømning. En sådan rekordhøj udtømning undertrykte i høj grad den parametriske superfluorescens (PSF) støj i QPCPA til kun ~10 ^-6 i forhold til den forstærkede signalenergi.

I deres eksperiment blev en 8-cm Sm:YCOB-krystal brugt med orienteringen for maksimeret ikke-lineær koefficient, som var transparent for både pumpen og signalet, men uigennemsigtig for tomgangen. Under en pumpeintensitet på 3 GW cm ⁻² , blev den højeste signaleffektivitet på 56 % opnået med en frøintensitet på ~7 MW cm ⁻² svarende til en pumpeudtømning på 85 %.

Den påviste QPCPA-pumpedepletering var ca. 2,5 gange større end OPCPA. Den stærke pumpeudtømning ved effektiv signalforstærkning undertrykte betydeligt genereringen af ​​PSF-støj. Inden for det største signaloutput på ~65 mJ var den målte PSF-støjenergi så lav som ~10 μJ. Pulskontrasten efter kompression bør være så høj som ~10 ⁹ .

Prof. Ma, den første forfatter, forklarede, hvorfor de kaldte en sådan proces "kvasiparametrisk" amplifikation:"QPCPA-processen er meget interessant. I det mættede amplifikationsregime bliver dens effektivitet ved med at stige med frøintensiteten uden nogen tilbagekonvertering, ganske svarende til "ikke-parametrisk" laserforstærkning. I forstærkningsregimet med små signaler arver den imidlertid alle OPCPA's parametriske adfærd. QPCPA kombinerer fordelene ved parametriske og ikke-parametriske processer."

"Da tilbagekonverteringseffekten er fuldstændig blokeret, er QPCPA også robust mod fasemismatch. Det betyder, at QPCPA er ufølsom over for variationen af ​​pumpestrålepegningen og omgivelsernes temperatur. Dette gavner QPCPA's høje gentagelseshastighed." tilføjede han.

"Med sit meget store produkt af effektivitet og båndbredde kan QPCPA-skemaet baseret på en Sm:YCOB-krystal i stor størrelse understøtte en spidseffekt så høj som 50 PW ved at bruge den samme pumpeenergi som nuværende ti petawatt laserfaciliteter, så QPCPA kan være en kvalificeret kandidat til at skubbe ultraintense lasere ud over den nuværende ti-petawatt-grænse," sagde prof. Ma. + Udforsk yderligere

Den højeste forstærkning i små nanoskalaenheder