激光脈沖的峰值功率由脈沖寬度和脈沖能量定義。二者分別取決于強激光放大器的增益帶寬和轉(zhuǎn)換效率，它們共同決定了超短超強激光的放大能力。
迄今為止，超短超強激光放大主要依賴于啁啾脈沖放大(CPA)和啁啾脈沖光參量放大(OPCPA)這兩大類方案，它們分別具有高效率和大寬帶的特征，但不能同時集于一身。
雖然通過CPA和OPCPA均可實現(xiàn)拍瓦(1015 W)水平的強激光輸出，但要大幅超越拍瓦、實現(xiàn)走向未來的艾瓦(1018 W )激光，這兩類強激光方案在放大能力方面都存在著瓶頸：CPA能級型增益介質(zhì)不支持超寬帶的周期量級強激光脈沖，而OPCPA的轉(zhuǎn)換效率則受到非線性倒流的嚴(yán)重制約。
為克服上述瓶頸問題，上海交通大學(xué)物理與天文系錢列加教授研究組提出了一種準(zhǔn)參量啁啾脈沖放大(QPCPA)的新方案。QPCPA同時具備鈦寶石放大器的高效率和OPCPA的超寬帶特征，可為啁啾脈沖提供理想的放大環(huán)境。
圖1. (a) QPCPA能級示意圖; (b) 大的相位失配條件下QPCPA和OPCPA中信號光的演化規(guī)律
QPCPA與OPCPA唯一但根本的區(qū)別在于將傳統(tǒng)OPA晶體替換成QPA晶體。該研究組發(fā)現(xiàn)，通過采用摻雜稀土離子的YCOB晶體對閑頻光進(jìn)行吸收，QPCPA可完全消除參量過程的倒流問題，由此便構(gòu)建了一種與能級放大器相似的準(zhǔn)參量過程。
圖2. Sm:YCOB晶體吸收譜線及其毛坯照片
這一技術(shù)具有多方面的優(yōu)點：同時具備超寬帶和接近量子極限的高效率;不發(fā)生倒流逆過程;對泵浦激光以及相位失配不敏感。上述優(yōu)點保障了激光系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。
在原理性驗證實驗中，QPCPA方案已經(jīng)實現(xiàn)了47 %的信號光轉(zhuǎn)換效率(晶體內(nèi)部)和70 %的泵浦光耗損，達(dá)到了傳統(tǒng)高效率二倍頻(SHG)和三倍頻(THG)的技術(shù)水準(zhǔn)。
圖3. (a) QPCPA中信號光和閑頻光隨注入強度的變化; (b) QPCPA和OPCPA中歸一化信號效率隨相位失配的變化關(guān)系
放大能力(FOM)可以作為衡量一個強激光放大器的品質(zhì)因子，它綜合反映了強激光方案的技術(shù)水準(zhǔn)。該研究組發(fā)現(xiàn)，QPCPA的放大能力高于傳統(tǒng)的鈦寶石CPA方案和OPCPA方案。
上述特點使得QPCPA有望成為繼CPA和OPCPA之后超短超強激光的新的有效放大方案。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.001006