Dans CPA, la pompe amplifie le signal à travers un système de milieu de gain de niveau d'énergie dans lequel l'une des transitions est non radiative. Ce type d'amplification laser a un rendement élevé de la pompe au signal et une bande passante de gain relativement étroite. Dans OPCPA, la pompe amplifie le signal par interaction paramétrique et génère simultanément l'onde libre. L'OPCPA peut être à large bande en manipulant la condition d'accord de phase mais souffre d'un rendement relativement faible en raison de la rétroconversion. Le QPCPA est une variante de l'OPCPA en dissipant l'oisif avec une forte absorption des cristaux. La dissipation du ralenti obstrue l'effet de conversion arrière et permet à la fois un rendement élevé et une large bande passante. Crédit :Jingui Ma et al
Depuis la première démonstration de l'amplification d'impulsions chirpées (CPA) et de l'amplification paramétrique optique d'impulsions chirpées (OPCPA), les lasers femtosecondes ont été en mesure de fournir des puissances de crête ultra-élevées jusqu'à dix pétawatts (PW), ouvrant ainsi la voie à des accélérateurs de particules compacts et les sources de rayons X.
Pour augmenter encore les puissances de crête, des schémas d'amplification laser avec à la fois une efficacité de conversion élevée et une large bande passante sont nécessaires. Cependant, les amplificateurs laser CPA souffrent d'une bande passante de gain relativement étroite, tandis que les OPCPA souffrent d'une efficacité de signal relativement faible ou d'un épuisement de la pompe en raison de la rétroconversion.
Dans un nouvel article publié dans Light :Science &Applications , une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Liejia Qian du Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Chine, et ses collègues ont démontré un schéma de l'amplification quasi-paramétrique d'impulsions chirpées (QPCPA), qui est une variante de l'OPCPA en dissipant l'oisif avec une forte absorption cristalline.
La dissipation de l'inactif obstrue l'effet de rétroconversion et permet aux performances QPCPA d'un rendement élevé, d'une large bande passante et d'une robustesse contre le décalage de phase. Ils ont démontré expérimentalement une efficacité énergétique de 56 % pour un signal de 810 nm converti à partir d'une pompe de 532 nm, ou de manière équivalente un épuisement de la pompe de 85 %. Un tel épuisement record a considérablement supprimé le bruit de superfluorescence paramétrique (PSF) dans QPCPA à seulement ~10 -6 par rapport à l'énergie du signal amplifié.
Dans leur expérience, un cristal Sm:YCOB de 8 cm a été utilisé avec l'orientation pour un coefficient non linéaire maximisé, qui était transparent à la fois pour la pompe et le signal mais opaque pour l'oisif. Sous une intensité de pompage de 3 GW cm −2 , l'efficacité de signal la plus élevée de 56 % a été obtenue avec une intensité d'ensemencement d'environ 7 MW cm −2 , correspondant à un épuisement de la pompe de 85 %.
L'épuisement démontré de la pompe QPCPA était d'environ 2,5 fois celui de l'OPCPA. Le fort épuisement de la pompe par une amplification efficace du signal a considérablement supprimé la génération de bruit PSF. Dans la plus grande sortie de signal de ~ 65 mJ, l'énergie de bruit PSF mesurée était aussi faible que ~ 10 μJ. Le contraste du pouls après compression doit être aussi élevé que ~10 9 .
a, Schéma du régime QPCPA. La pompe à 532 nm amplifie le signal à 810 nm et génère simultanément l'idler à 1550 nm. L'idler généré présente une absorption par les ions terres rares dopés Sm³⁺. b, Efficacité pompe-signal et épuisement de la pompe en fonction de l'intensité des semences sous une intensité de pompe d'environ 3 GW cm⁻². c, profils d'impulsion de la pompe (noir), signal amplifié à des intensités de semences de 7 MW cm⁻² (solide rouge, point Ⅰ marqué en b) et 2,5 W cm⁻² (pointillé rouge, point Ⅱ marqué en b). La zone ombrée montre le profil d'impulsions modulées (spectre) de la graine du signal. Le chirp du signal est de 40 ps nm⁻¹. d, Évolution de l'énergie de superfluorescence paramétrique (PSF) (carrés et cercles noirs) et gain de petit signal sondé (cercles bleus). Crédit :Jingui Ma et al
Le professeur Ma, le premier auteur, a expliqué pourquoi ils ont nommé un tel procédé d'amplification « quasi-paramétrique » :« Le processus QPCPA est très intéressant. En régime d'amplification saturée, son efficacité ne cesse d'augmenter avec l'intensité du germe sans aucune rétroconversion, tout à fait similaire à l'amplification laser "non paramétrique". Cependant, dans le régime d'amplification des petits signaux, il hérite de tous les comportements paramétriques de l'OPCPA. Le QPCPA combine les mérites des processus paramétriques et non paramétriques."
"Étant donné que l'effet de rétroconversion est complètement obstrué, le QPCPA est également robuste contre le décalage de phase. Cela signifie que le QPCPA est insensible à la variation du pointage du faisceau de pompe et à la température de l'environnement. Cela profite au fonctionnement à taux de répétition élevé du QPCPA", ajouta-t-il.
"Avec son très grand produit d'efficacité et de bande passante, le schéma QPCPA basé sur un cristal Sm:YCOB de grande taille peut supporter une puissance de crête aussi élevée que 50 PW en utilisant la même énergie de pompe que les installations laser actuelles de dix pétawatts, donc QPCPA peut être un candidat qualifié pour pousser les lasers ultra-intenses au-delà de la limite actuelle de dix pétawatts », a déclaré le professeur Ma. L'amplification la plus élevée dans les minuscules dispositifs à l'échelle nanométrique
