基于色散工程设计的多次透射光参量放大

提出多通光光学参量放大系统，通过色散补偿介质镜实现高增益（×1500）、效率81%、带宽12THz，设备体积小（cm3级），适用于量子技术、飞秒物理等领域。

摘要

极短激光脉冲（小于100飞秒）的放大面临一个根本性的挑战，这是因为放大带宽、效率和增益之间存在权衡¹。传统方法依赖于复杂的光学系统，并需要预处理和后处理步骤²。光参量放大³虽然能提供与非线性介质长度成比例的高光增益，但会牺牲带宽，这限制了其对极短且本质上具有宽带特性的超短脉冲的放大效果，因为这类脉冲的放大需要宽的增益-带宽范围、高的单次通过增益以及强非线性相互作用。在这里，我们介绍了一种新的多通道⁴光参量放大系统，该系统利用色散工程设计的介电镜将激光反复聚焦到非线性增益晶体中。涂层能够在每次多通道传输后同时补偿群延迟⁵，并抑制闲置波，从而避免反向转换。与单次通过放大相比，这种方法实现了高达1500倍的增益，光子转换效率达到81%（系统转换效率为52%），并且放大的脉冲具有接近傅里叶极限的时间-带宽乘积，同时完全保持了空间光束质量。我们的概念打破了增益与带宽之间的限制，在41分贝的增益下实现了12太赫兹的频率。由于我们的概念不需要特定的增益材料，因此它具有通用性，可广泛应用于量子技术⁶、7、8、9、阿秒物理学^10、11、12、材料加工以及超宽带低成本生物成像系统^{13、14。我们的概念可以实现设备尺寸在单个数量级的立方厘米范围内。}