超短脉冲激光器凭借超高的输出精度，成为制造业高精度加工、医疗领域高端成像、前沿科学研究等场景的核心技术装备，但其长期受限于高效机型体积庞大、成本居高不下的行业痛点，技术应用与产业化推广面临显著制约。近日，德国斯图加特大学研究团队与斯图加特仪器有限公司（Stuttgart Instruments GmbH）合作，成功研发出一款基于色散工程的新型多通光参量放大器（MPA）。该系统实现效率、体积（尺寸仅手掌大小）、通用性的三重突破，相关研究成果以“Dispersion-engineered multipass optical parametric amplification”为题发表于知名期刊《Nature》，为超短脉冲激光技术的发展与应用带来颠覆性变革。
图1. MPA（Multipass parametric amplifier）高效紧凑型短脉冲激光器，原型机尺寸仅为 11×5×5 立方厘米，仅有手掌般大小。
光子转换效率80% 成为可能
斯图加特大学第四物理研究所所长哈拉尔德・吉森教（Harald Giessen）授表示：“借助我们的新型系统，我们能够实现此前难以企及的效率水平。”研究人员通过实验证实，该系统让短脉冲激光器实现 80% 的光子转换效率成为理论现实，即输入功率的 80% 可被有效利用，而当前行业主流技术的转换效率仅约 35%，能效损耗问题得到根本性改善。
作为本次技术突破的核心，基于色散工程的多通道光参量放大器（Multipass parametric amplifiers, MPA）成功打破了超短脉冲（小于 100 飞秒）放大过程中增益、带宽与效率之间的固有矛盾。相较于传统单通放大技术，该技术的增益提升了 1500 倍，光子转换效率高达82%，同时保持M²＜1.2的优异空间光束质量；在突破增益与带宽之间制约方面，实现了41 分贝增益下 12 太赫兹的超宽频带，能够支持亚40飞秒脉冲的放大，且整个光学系统仅由5个核心部件构成，结构极简的同时兼顾高性能。MPA为量子技术、阿秒物理、材料加工，低成本超宽带生物成像等多个前沿领域带来颠覆性变革，也让斯图加特激光器（Stuttgart Instrument GmbH）公司的技术跻身全球前沿行列，有望为下一代OPA激光器带来新的变革。
研究背景与意义
超短激光脉冲（100飞秒以下）的放大面临着放大带宽、效率与增益之间的权衡难题，传统光参量放大（OPA）技术虽依托电介质中非线性三波混频的无熵过程，理论能量转换效率可达 100%，且能实现高功率、高能量的可调谐超快激光源，在生物成像、量子光学、阿秒物理等多个领域具有广泛应用前景。但实际应用中，典型 OPA 激光系统的光子转换效率仅在 10%-30% 之间，若要追求更高效率，往往会导致光谱 - 时间或空间 - 时间脉冲特性退化。
造成这一现象的主要限制因素包括：其一，光参量放大作为非线性过程，需要接近晶体损伤阈值的高峰值强度才能获得足够的非线性相互作用强度；其二，泵浦光、信号光和闲频光之间的能量转移方向与相位相关，易通过多种机制产生不必要的反向转换；其三，由于双折射和群速度色散，非线性电介质中存在空间和时间走离效应，限制了频率转换高效发生的相互作用长度和体积。
本次研发的 MPA 技术，从结构设计与技术原理层面针对性破解了上述行业痛点。其创新的多通几何结构可引导泵浦光与信号光脉冲六次穿过非线性介质。该结构能引导泵浦光与信号光脉冲重复穿过短非线性介质。单次穿过非线性介质的放大示意图2，用于展示多通光参量放大器（MPA）的基本单元：进入非线性介质的泵浦光与信号光脉冲在时间上重叠并积累群延迟，该群延迟由群延迟补偿器补偿，同时光谱闲频光滤波器会移除产生的闲频光。1 毫米长（青色）和 6 毫米长（红色）单通场景下的模拟参量增益对比，已考虑时间走离导致的增益衰减，峰值功率为 2 吉瓦 / 平方厘米；六次穿过 1 毫米非线性介质的多通光参量放大器（MPA）场景（蓝色）展现出更优异的增益——带宽特性，对超短脉冲的放大效果尤为突出。
图2. MPA多通道光参量放大器的几何结构展开示意图。
图3. 种子光功率为 40 毫瓦时，多通道光参量放大器（MPA）与 1 毫米、5 毫米单通光参量放大器（SPA）在饱和工作区域的性能对比。
极短时间内释放巨大能量
短脉冲激光器产生的光脉冲仅持续纳秒、皮秒或飞秒级（即十亿分之一秒至千万亿分之一秒）。这使其能够在极短时间内将大量能量集中在小面积区域。泵浦激光器与发射短脉冲的激光器协同工作：泵浦激光器向一种特殊晶体提供光能，该晶体是整个过程的核心，负责将泵浦激光器的能量转移至超短信号脉冲，将入射光子转化为红外光。这使得一些可见光无法完成的实验、测量或生产过程成为可能。短脉冲激光器应用于工业生产领域，例如实现高精度、低损伤的材料加工；同时也用于医疗技术中的成像流程，或量子研究中分子层面的超高精度测量。
图 4. 多通道光参量放大器（MPA）与 1 毫米、5 毫米单通道光参量放大器（SPA）的增益饱和特性。a. 小信号区域下，MPA 与两种 SPA 的光谱及自相关函数（按彩色区块分组）。MPA 将种子光光谱从 29 纳米拓宽至 70 纳米，分别超过 1 毫米 SPA（36 纳米）和 5 毫米 SPA（42 纳米）的增益展宽效果。
实现激光放大与带宽的同步优化
“高效设计短脉冲激光器仍是一项尚未解决的挑战，” 该研究的主要作者托比亚斯・施泰因莱博士解释道， “要产生短脉冲，我们需要放大入射光束并覆盖宽波长范围。但迄今为止，还无法在小型紧凑的光学系统中同时实现这两种特性。” 宽带宽激光放大器需要特殊的短薄晶体，而高效放大器则需要超长晶体。将多个短晶体串联是实现两者结合的一种可行方案，目前已在科研领域得到探索，其关键在于确保泵浦激光器与信号激光器的脉冲保持同步。
图5. 多通光参量放大器（MPA）的宽带放大性能。a. 种子光与放大后信号光的光谱。b. 自相关函数，标注了实测自相关宽度及对应的脉冲持续时间（括号内数值）；虚线表示傅里叶极限脉冲形状。
新型多通技术方案
研究人员通过一种新型多通技术成功解决了这一问题。他们并未使用单个长晶体或多个短晶体，而是在光参量放大器中采用单个短晶体，并让光脉冲重复穿过该晶体。在两次穿过晶体之间，分离的脉冲会被精确重新校准，以保持同步。该系统可产生短于 50 飞秒的脉冲，体积仅占数平方厘米，且仅由五个组件构成。
图 6. 常见放大器与多通道光参量放大器（MPA）的增益-带宽对比。图中对比了文献报道的多种铒（Er）掺杂、铥（Tm）掺杂、镱（Yb）掺杂光纤放大器以及光参量放大器（OPA）并标注了本研究的 MPA（右上角星形标记）。
极强的通用性
该研究的作者施泰因莱表示，高效设计短脉冲激光器长期是行业未解决的挑战，而新型 MPA 系统证明，超高效率的实现无需以牺牲带宽为代价。这款设备具备极强的通用性，不仅适用于红外光波段，还可适配其他波长范围，同时兼容不同晶体系统与脉冲持续时间，能够替代体积庞大、成本高昂、功率损耗严重的传统超短脉冲放大激光系统，成为该领域的全新核心解决方案。
总结
本研究提出的新型多通道光参量放大器（MPA），通过色散工程介质镜与多通几何结构的创新结合，有效缓解了时间走离、反向转换和非线性相互作用限制，实现了增益、带宽与效率的协同优化。该技术不依赖特定增益材料，结构紧凑、稳定性高，在转换效率、增益性能、带宽表现等方面均显著优于传统放大技术，为超短脉冲激光放大领域带来了革命性突破。MPA 技术的广泛适用性使其在量子技术、阿秒物理、生物成像、工业制造等多个领域具有重要应用价值，有望推动相关行业的技术升级与产业发展。尽管目前存在一定的局限性，但通过未来的持续优化与改进，其性能将进一步提升，应用场景将不断拓展，为全球科技进步与社会发展做出重要贡献。
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