YCOB晶体非主平面相位匹配OPCPA输出特性研究

High-efficiency and brandband OPCPA is one of two methods to achieve amplification of muti-petawatt and even hundreds petawatt laser system. We will study the output characteristics of OPCPA of phase matching in Stereoscopic space of YCOB crystal in this project. A higher effective nonlinear coefficient (about 30%) and a broader bandband (about 160 nm) will be achieved in the OPCPA process out of the principal plane. It is import that the pulse can be compressed to a shorter duration with a brander bandband of OPCPA. Compared with OPCPA in principal plane, the high efficiency can be achieved by a shorter YCOB crystal at the same pump and injected condition in OPCPA out of principal plane because of the higher effective nonlinear coefficient. There are some advantages of OPCPA with shorter crystal, for example, low absorption of pump and signal, reducing high order nonlinear effect and reducing the impact of walk off effect on the OPCPA. It is very suitable to apply this type phase matching to a high repetition rate OPCPA laser amplifier system. It can also supply a technical path for a mult-petawatt OPCPA laser system because it is good prospect that YCOB crystal can be grown to a size larger than 5 inch which is the largest size at existing technical conditions.

高效、宽带OPCPA技术是实现数拍瓦级乃至百拍瓦级激光放大的两大技术路径之一。本项目主要开展YCOB晶体在800nm中心波段的非主平面相位匹配OPCPA技术及放大特性研究，并分析该匹配模式应用于数拍瓦级OPCPA主放大器的可行性。其目的是基于非主平面匹配方式可以获得的有效非线性系数比主平面高30%左右，以及更宽的带宽(160nm)。宽带宽意味着可以实现更短的脉冲压缩。更高的有效非线性系数意味着在相同的泵浦和注入条件下，可以采用更短的晶体，就可以实现高效率的放大。短晶体在OPCPA过程中也比较大的优势，可以降低走离效应的影响，同时泵浦光和信号光吸收小，高阶非线性效应小，可以降低热效应对非线性性质的影响，比较适合应用于高重频OPCPA放大激光装置中。同时YCOB晶体口径可以生长至大5英寸，未来有望生长到更大，因此本项目的研究可以为基于OPCPA的百拍瓦级激光装置的主放大器研制提供技术途径。

宽带OPCPA技术是实现超强超短激光放大的两大技术路径之一。本基金开展了基于YCOB晶体非主平面和主平面上相位匹配的宽带OPCPA理论和实验研究。分析了非主平面的相位匹配特性之后，并理论结合实验重点针对YCOB晶体非主平面上的传播、放大、压缩进行相关研究，最后得到了数十飞秒级的超短激光脉冲输出。主要研究成果如下：.理论方面，建立了包含YCOB晶体主平面和非主平面在内的三维立体空间内相位匹配模型，计算出YCOB晶体内最佳相位匹配角度在非主平面上，该角度方向不仅能在更宽带宽内实现相位匹配，而且、有效非线性系数要高于主平面的有效非线性系数。基于该非主平面相位匹配角和常用的主平面相位匹配角，开展了YCOB晶体三维立体空间相位匹配的实验研究。利用光谱范围760-830nm、能量为1mJ、时域脉宽为1ns的信号光，经过基于YCOB晶体非主平面的非共线相位匹配参量放大，在241mJ的泵浦能量下实现了15.4%的转换效率，得到了38.2mJ的信号光脉冲，最终在泵浦能量为303mJ时实现最高放大输出能量为43.5mJ，并最终通过压缩器得到时域脉宽为30.6fs的超短脉冲输出。并开展相同晶体长度的主平面相位匹配的OPCPA实验研究，并将结果进行分析对比。.本基金建立了YCOB非主平面的相位匹配OPCPA分析模型，计算出基于实验参数下最佳的相位匹配角。理论和实验验证了YCOB非主平面放大的可行性，最终得到了43.5mJ、30.7fs的超短脉冲输出。与主平面的OPCPA的进行对比分析，可以看出YCOB晶体在非主平面上具有更高的有效非线性系数，并可以采用更短的晶体实现最佳的转换效率，突出了YCOB晶体非主平面上进行光参量放大的优势，说明非主平面YCOB晶体的OPCPA可以为数拍瓦级激光装置的能量放大提供技术途径。