我院范滇元院士团队在“超快超强矢量光场产生”方向的研究中取得了重要进展。研究团队以一种对偏振不敏感的超快光参量放大设计，实现对径向偏振光>1000倍的高增益光参量放大。该研究工作为破解径向偏振光峰值功率的受限瓶颈提供了新的思路。相关研究成果以“Polarization-insensitive, high-gain parametric amplification of radially polarized femtosecond pulses”为题发表于美国光学学会(OSA)旗舰期刊《Optica》（影响因子9.778）。钟亥哲副教授为论文第一作者，硕士研究生梁成川同学为论文第二作者，深圳大学为第一完成单位。

径向偏振光具有轴对称的偏振结构。以高数值孔径透镜对径向偏振光聚焦，可以得到超越衍射极限的焦斑，并且，在焦点附近可产生极强的纵向电场，提供超强功率密度的环境条件。这对增强光与物质之间的相互作用，推进超快超强激光在强场物理等相关领域的应用有着重要应用前景，例如粒子加速，质子治疗，激光聚变，质子束成像等。但是，现有超快激光技术往往局限于线偏振光，无法适应径向偏振光非均匀偏振分布的光束特点，导致径向偏振超快超强激光的产生放大极为困难。

由2018年诺贝尔物理学奖获得者Gérard Mourou和Donna Strickland提出的啁啾脉冲放大技术（Chirped-Pulse Amplification，CPA）能够大幅提升超快激光的峰值功率，将（线偏振）超快锁模激光的峰值功率从MW提升至PW水平（提高了约9-10个数量级），由此将光与物质相互作用研究推进到之前难以想象的相对论强激光物理新领域。但是，钛宝石（Ti:sapphire）等宽带增益介质往往只能激发线偏振的受激辐射；光参量放大（Optical Parametric Amplification，OPA）更是对偏振极为敏感。而径向偏振光中却是包含了一切可能的线偏振分量，这从根本上限制了CPA技术在径向偏振光等矢量光场上的应用。目前已报道的径向偏振光所能达到的最高峰值功率为85 GW，与同时期线偏振超快激光>5 PW的峰值光强相比，有着非常巨大的差距。

针对径向偏振等矢量光场的超快放大难题，研究团队以一种满足II类相位匹配的近简并光参量放大设计，首次将光参量放大技术应用于径向偏振光，实现了对径向偏振光>1000倍的高增益光参量放大。原则上，任意偏振的信号光都可分解为两束相互正交的线偏振光，分别对应非线性晶体的o偏振光与e偏振光。而在波长简并以及满足II类相位匹配的OPA工作条件下，信号光波长接近于泵浦光波长的两倍，相互正交的两束线偏振光就都能够满足相位匹配的要求，得到同步的光参量放大。该研究工作为破解径向偏振光峰值功率的受限瓶颈提供了新的思路，有望将径向偏振光的峰值光强提升至相对论强度，为强场物理领域的研究提供前所未有的实验手段。

图1. (a)径向偏振的光参量放大实验装置图；(b)径向偏振光放大前后的光斑轮廓及偏振分布。

该工作得到了国家自然科学基金重大项目、广东省自然科学基金项目、深圳市重点实验室、深圳市孔雀计划等项目的资助。

论文链接：

https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-1-62&id=446429