高功率、高能量超快激光在高次谐波、强场物理和激光等离子体加速等领域具有重要应用。当前常用的重要技术手段主要包括多通腔（multi-pass cell，MPC）后压缩和光参量放大（optical parametric amplification，OPA）：前者具有高传输效率和良好光束质量，但波长调谐范围有限；后者能够实现宽带波长转换，但泵浦到信号光的转换效率通常较低。2026年，德国DESY等机构的研究人员在Optica报道了一种将两者结合的光参量多通腔放大器（optical parametric multi-pass cell amplifier，OPMPC），借助非共线双MPC实验结构推到了更高脉冲能量和很高的相对转换效率[1]。
图1给出了简化的共线OPMPC概念。非线性晶体置于MPC焦点附近，泵浦光和种子光在每个通程中完成一次参量放大；每次参量放大后，产生的闲频光在进入下一程前被移除，使下一程重新从近乎无闲频光的状态开始，从而抑制多通程中的反转换，提高泵浦能量向信号光的持续转移。同时，MPC的准波导传播和空间混合作用有利于保持放大光束的空间均匀性。
图1 OPMPC的基本概念与工作原理[1]
实际实验为了降低宽带镀膜要求并方便逐程调节泵浦—信号延时，采用了图2所示的非共线双MPC结构。实验采用两套相互独立、非共线交叉的MPC，分别传输1030 nm泵浦光和宽带种子光，并形成两个共同焦点；两个焦点处各放置一块KTA晶体，使泵浦光与信号光在每次通程中实现空间和时间重合。该结构允许泵浦光和信号光分别使用针对各自波段优化的反射镜，产生的闲频光则因非共线传播自然离开多通腔，省去了额外的闲频滤除结构。系统共有20次晶体相互作用，每一程均可独立调节泵浦光与种子光的空间和时间重合。
图2 非共线OPMPC实验装置示意图[1]
实验采用中心波长1030 nm、脉宽227 fs、重复频率1 kHz的Yb:KGW激光器作为泵浦源，其中输入OPMPC的泵浦能量为174 μJ。由图3(a)可见，随着通程数增加，残余泵浦逐渐下降，转换效率持续提高，并在15~20程附近趋于饱和。20程时，1500 nm附近的信号光脉冲能量达到74.5 μJ，对应泵浦到信号光的转换效率为42.9%。图3(b)显示了放大过程中信号光谱的演化，考虑自相位调制（SPM）的模拟结果与实验光谱吻合较好；图3(c)显示输出信号信号光M2为1.29×1.01，表明系统在高转换效率下仍保持了良好的光束质量。
图3 OPMPC参量放大性能：(a) 不同通程数下残余泵浦比例与光转换效率；(b) 不同通程数下信号光谱的演化及模拟结果；(c) 输出信号光的M2测量及空间光束分布[1]
放大后光谱对应的傅里叶变换极限脉宽约为43.3 fs，经啁啾镜色散补偿后，FROG测得输出脉宽为47.7 fs，对应峰值功率约1.3 GW，如图4所示。测量与反演得到的FROG迹线吻合良好，表明放大后的宽带信号光具有较好的可压缩性。
图4 OPMPC输出脉冲的时间与光谱特性：(a) 压缩后脉冲的时间强度分布；(b) 实验、模拟及FROG反演的光谱及光谱相位；(c) 实验FROG迹线；(d) FROG反演迹线[1]
本文OPMPC在1500 nm获得74.5 μJ、48 fs输出，光转换效率为42.9%。作者指出，通过优化晶体镀膜、聚焦条件和晶体厚度，系统有望进一步提升效率和带宽，并向毫焦耳级能量和中红外波段扩展。该工作验证了OPA波长调谐能力与MPC高效多通程相互作用相结合的可行性，为高能量、高峰值功率、宽波段可调谐超快光源提供了新的实现方式。
参考文献：[1] Rajhans, S., Rupp, N., Escoto, E., Schnberg, A., Laumer, D., Sumfleth, M., Abdallah, I., Manschwetus, B., Juliano, C., Javid, N., Arnold, C. L., Gorkhover, T., Drescher, M., Riedel, R., Hartl, I., Heyl, C. M., & Lang, T. (2026). Optical parametric multi-pass cell amplifier. Optica, 13(7), 1303–1310. https://doi.org/10.1364/OPTICA.597010
原文标题 : 超快非线性光学技术之一百零三 光参量多通腔放大器
（来源：维科网）
