I CPA förstärker pumpen signalen genom ett energinivåförstärkningsmediumsystem där en av övergångarna är icke-strålande. Denna typ av laserförstärkning har en hög effektivitet från pump till signal och en relativt smal förstärkningsbandbredd. I OPCPA förstärker pumpen signalen genom parametrisk interaktion och genererar samtidigt tomgångsvågen. OPCPA kan vara bredband genom att manipulera fasmatchningsvillkoret men lider av en relativt låg effektivitet på grund av bakåtkonvertering. QPCPA är en variant av OPCPA genom att avleda tomgången med stark kristallabsorption. Tomgångsförlusten hindrar bakomvandlingseffekten och möjliggör både hög effektivitet och stor bandbredd. Kredit:Jingui Ma et al
Sedan den tidigaste demonstrationen av chirped-pulse amplification (CPA) och optisk parametrisk chirped-pulse-amplification (OPCPA) har femtosekundlasrar kunnat leverera ultrahöga toppeffekter upp till tio petawatt (PW), vilket banat väg för kompakta partikelacceleratorer och röntgenkällor.
För att ytterligare öka toppeffekterna behövs laserförstärkningsscheman med både hög omvandlingseffektivitet och stor bandbredd. CPA-laserförstärkare lider dock av relativt smal förstärkningsbandbredd, medan OPCPA lider av relativt låg signaleffektivitet eller pumputarmning på grund av bakåtkonvertering.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av vetenskapsmän, ledda av professor Liejia Qian från Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Kina, och medarbetare har visat ett system med ultrahög effektivitet och lågt brus. kvasi-parametrisk chirped-pulse amplification (QPCPA), som är en variant av OPCPA genom att avleda tomgången med stark kristallabsorption.
Tomgångsförlusten hindrar bakkonverteringseffekten och möjliggör QPCPA-prestanda med hög effektivitet, stor bandbredd och robusthet mot fasfel. De demonstrerade experimentellt 56 % energieffektivitet för en 810 nm signal omvandlad från en 532 nm pump, eller motsvarande 85 % pumputarmning. En sådan rekordhög utarmning dämpade kraftigt det parametriska superfluorescensbruset (PSF) i QPCPA till endast ~10 -6 i förhållande till den förstärkta signalenergin.
I deras experiment användes en 8 cm Sm:YCOB-kristall med orienteringen för maximerad olinjär koefficient, som var transparent för både pumpen och signalen men ogenomskinlig för tomgången. Under en pumpintensitet på 3 GW cm −2 , den högsta signaleffektiviteten på 56 % uppnåddes med en fröintensitet på ~7 MW cm −2 , motsvarande en pumputarmning på 85 %.
Den påvisade utarmningen av QPCPA-pumpen var ungefär 2,5 gånger den för OPCPA. Den starka pumputarmningen genom effektiv signalförstärkning undertryckte avsevärt genereringen av PSF-brus. Inom den största utsignalen på ~65 mJ var den uppmätta PSF-brusenergin så låg som ~10 μJ. Pulskontrasten efter kompression bör vara så hög som ~10 9 .
a, Schematisk QPCPA-schema. Pumpen vid 532 nm förstärker signalen vid 810 nm och genererar samtidigt tomgången vid 1550 nm. Den genererade tomgången har en absorption av de dopade sällsynta jordartsmetalljonerna Sm³⁺. b, Pump-till-signal effektivitet och pumputarmning kontra fröintensitet under en pumpintensitet på ~3 GW cm⁻². c, pumpens pulsprofiler (svart), förstärkt signal vid fröintensiteter på 7 MW cm⁻² (röd fast, punkt Ⅰ markerad i b) och 2,5 W cm⁻² (röd streckad, punkt Ⅱ markerad i b). Det skuggade området visar signalfröets chirped-pulsprofil (spektrum). Signalen chirp är 40 ps nm-1. d, Utveckling av den parametriska superfluorescens (PSF) energin (svarta rutor och cirklar) och sonderad småsignalförstärkning (blå cirklar). Kredit:Jingui Ma et al
Prof. Ma, den första författaren, förklarade varför de kallade en sådan process "kvasiparametrisk" amplifiering:"QPCPA-processen är mycket intressant. I den mättade amplifieringsregimen fortsätter dess effektivitet att öka med fröintensiteten utan någon bakåtomvandling, ganska liknar "icke-parametrisk" laserförstärkning. Men i småsignalförstärkningsregimen ärver den alla parametriska beteenden hos OPCPA. QPCPA kombinerar fördelarna med parametriska och icke-parametriska processer."
"Eftersom tillbakakonverteringseffekten är helt blockerad är QPCPA också robust mot fasfel. Detta betyder att QPCPA är okänsligt för variationen av pumpstrålens riktning och omgivningstemperaturen. Detta gynnar QPCPAs höga repetitionshastighet," tillade han.
"Med sin mycket stora produkt av effektivitet och bandbredd kan QPCPA-schemat baserat på en stor Sm:YCOB-kristall stödja en toppeffekt så hög som 50 PW genom att använda samma pumpenergi som nuvarande tio petawatts laseranläggningar, så QPCPA kan vara en kvalificerad kandidat för att pressa ultraintensiva lasrar bortom den nuvarande tio petawattgränsen, säger prof. Ma. + Utforska vidare
