上海光机所在基于光学参量放大器实现少周期红外以及太赫兹脉冲研究方面取得进展

图1. 色散补偿后信号脉冲的SHG-FROG特性。(a)、(b) 测量和重建的FROG曲线。(c) 测量(浅蓝色阴影)和反演(蓝线)的光谱和相位(灰色线)。(d) 傅里叶极限脉宽(蓝色)和FROG反演脉宽(粉色)。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在基于光学参量放大器实现少周期红外以及THz脉冲研究方面取得新进展。相关研究成果以 “Hybrid optical parametric amplifier for few-cycle infrared and terahertz pulses generation” 为题发表在Optics and Laser Technology上。

近年来，红外(IR)和太赫兹(THz)范围内的少周期脉冲成为了激发和探测超快动力学的有力工具。少周期红外激光器已被应用于通过高次谐波产生(HHG)在X射线窗口中产生孤立的阿秒脉冲、通过诱导电子衍射实现超快分子动力学成像、观察价电子运动等研究。超短太赫兹源的振荡频率较低，在共振激发准粒子、控制晶体结构、瞬态偏振调制和高梯度电子加速等方面具有优势，因此备受关注。光参量放大器(OPA)是驱动少周期红外和太赫兹脉冲最广泛使用的设备之一。利用OPA产生的不同波长的脉冲，可以实现脉冲的光谱相干，进而可以通过色散补偿的方式实现少周期脉冲。此外，不同波长的脉冲可以通过光学差频(DFG)的方式实现THz脉冲输出。

图2. OPA闲频脉冲的DFG。(a) 相位匹配角的计算;(b) FTIR光谱测量的干涉信号;(c) 可调谐太赫兹光谱和 27 THz输出时的焦点轮廓(插图)。

本工作中，研究团队报告了一种三级光学参量放大器，可产生少周期的红外和太赫兹脉冲。种子光的不同成分经过放大后可产生可调谐的宽带频谱。经过色散补偿后，OPA的信号脉冲被压缩到 15.2 fs，脉冲能量为 380 μJ。同时，闲频光被注入一个DFG装置，产生THz波，其频谱可在 18-30 THz之间调谐，峰值脉冲能量为 4 μJ。该系统通过采用多级光学参量放大来放大更宽的红外频谱，从而支持更短的脉宽。通过使用适当的非线性晶体来实现 DFG，还可以获得更多频率的THz波。该研究为产生少周期的红外和太赫兹脉冲提供了一种紧凑、可扩展的方法。

相关工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院仪器设备研制项目等支持。

审核编辑 黄宇