封面 | 基于时空耦合效应的超宽带频率转换技术

超短超强激光（脉宽短至飞秒，1飞秒 =10^-15 秒）可在实验室创造类似高能天体和原子核内部的高能量密度物理环境，是探索极端物质状态下科学未知、支撑可控核聚变的“利器”。但是，可支持超短激光脉冲功率放大的激光增益介质十分有限，目前超短超强激光的波长局限在近红外波段（常见的为800 nm波段，1053 nm波段）和其它波段的超短超强无法通过受激辐射直接产生。为了将超短超强激光这一“利器”拓展具有重要应用价值的波段，需要诉诸非线性光学方法——非线性频率转换技术，使得一个光子（设频率为ω₁）“分裂”为多个低频光子，或使得多个光子“合并”为一个高频光子。

非线性频率转换技术，大自然的“光影调色板”

在线性光学中，激光的颜色（即频率）在光束传播过程中保持不变。但基于非线性光学，激光束的频率——它们的颜色，可以改变。非线性频率转换过程（下文简称频率转换）基于非线性光学晶体混合不同颜色的激光场来创建新颜色，就像画家在调色板上混合颜色一样。

高效率的频率转换需要参与非线性相互作用的光场之间满足相位匹配条件。我们以二倍频过程为例来解释相位匹配条件：基频光（设频率为ω₁）在非线性光学晶体中一边传输，一边产生二倍频光（设频率为ω₂，则ω₂ = ω₁＋ω₁）。当且仅当基频光和二倍频光具有相同的折射率时，前期产生二倍频和后来产生的二倍频始终保持相同的相位、发生相长干涉，获得最高的转换效率。但由于色散效应，基频光和二倍频光通常具有不同的折射率，无法实现相位匹配。目前，非线性频率转换过程普遍使用的相位匹配技术主要有基于双折射晶体的角度调谐和基于周期性极化晶体的准位相匹配技术。但这些技术仅能在非常有限的光谱范围内实现相位匹配，无法应用于有着超宽光谱范围超短超强激光的频率转换。

为解决上述问题，上海交通大学钱列加教授团队提出并研究了空间啁啾相位匹配方案，基于“局域窄带、全域宽带”的策略从根本上解决了超短脉冲频率转换过程中的色散以及高阶相位失配问题，该相位匹配技术适用于超短脉冲（脉宽小于十飞秒）的高效频率转换。相关工作发表于Chinese Optics Letters 2024年22卷第1期（Yudong Tao, Wentao Zhu, Yanfang Zhang, Jingui Ma, Jing Wang, Peng Yuan, Hao Zhang, Heyuan Zhu, Liejia Qian. Ultrabroadband second-harmonic generation via spatiotemporal-coupled phase matching[J]. Chinese Optics Letters, 2024, 22(1): 011901），并被选为该期封面。

Chinese Optics Letters 2024年第1期封面图

原理：空间啁啾相位匹配频率转换系统如图1所示，由“衍射光栅G₁+聚焦面镜M₁”将宽带激光场的各频谱分量映射到不同的横向空间位置，形成“局域窄带、全域宽带”的空间啁啾光束。一方面，“局域窄带”意味着每个横向位置的光场为“准单色光”，在非线性频率转换过程中不存在群速度失配及高阶色散效应导致的相位失配问题；另一方面，非线性光学晶体采用扇形QPM晶体——晶体的极化周期随横向位置改变。通过合理的设计每个横向空间位置的晶体极化周期，使得每个位置的“准单色光”满足准相位匹配，进而实现全波段高效率频率转换。

图1 (a)、(b) 扇形QPM晶体及空间啁啾相位匹配系统；(c)扇形QPM的渐变极化周期，黑线为理论最优值，红线为实际值；(d)、(e)二倍频激光光谱及相应的傅氏变换极限脉冲

展望

上海交通大学研究团队表示：此工作为超短超强激光频率转换提供了一种超宽带相位匹配方案——空间啁啾相位匹配。将非线性光学中的相位匹配技术从过往基于双折射晶体的角度调谐技术、基于周期性极化晶体的准相位匹配技术拓展到了基于宽带激光场时空耦合效应的相位匹配技术，将光宽带光场的时空耦合调控作为优化超快光学过程的新自由度。未来团队将持续探索其它种类的时空耦合效应用于超短超强激光高效频率转换的可行性。