近几年来，由于高次谐波(HHG)和阿秒科学的广大应用前景，极大地促进了高平均功率、短脉宽、中红外波长激光系统的发展。一方面，由于较长波长的激光驱动脉冲有更高的有质动力势，可以驱动产生更高能量的光子，因此利用较长波长的红外乃至中红外超短超强激光脉冲与物质相互作用，可以拓展产生高次谐波（HHG）的截止频率，产生更高能量和更短波长的紫外乃至X射线波段光子【1】，在水窗波段X射线激光乃至更短波长激光等前沿研究领域具有重要意义。另一方面，由于激光驱动脉冲波长的增加，导致渡越时间的增加，由于电子波包的量子散射机制而降低高次谐波的产生效率，因此大约1-5微米的中红外高功率超短脉冲激光被认为是与物质相互作用，产生宽带高能X波段高次谐波的理想光源，也是进一步获得单个紫外和软X射线波段阿秒脉冲激光光源的理想驱动源，在阿秒物理研究和产生“水窗” 波段X 射线相干辐射等前沿应用研究中具有重要意义。

所谓Red，是指相对短波的部分，可以输出平均功率20W，中心波长范围在1.4-1.75um可调谐，CEP稳定且100kHz高重频的近红外脉冲。

所谓Black，是指相对长波的部分，可以输出平均功率15W，中心波长范围在2.5-4.0um可调谐，CEP稳定且100kHz高重频的中红外脉冲【2】。

该激光系统具有以下突出优点：

工业级Yb激光作为泵浦源和种子源。不同于钛宝石激光器，工业级半导体泵浦的Yb激光具有高重频和高稳定性的特点，尤其适用于OPCPA的泵浦源。

被动光同步。该OPCPA的种子脉冲先由泵浦脉冲在固体介质中产生的红外超连续谱（SC），然后与泵浦光发生差频过程(DFG)产生(2.5-4.0um). 所以，其信号光和泵浦光是同源的，可以消除信号光和泵浦光的同步抖动，且得到CEP稳定的闲置光。

结构稳定。该OPCPA装置的信号脉冲产生，放大和压缩等部分，均使用块状固体材料，该装置及其输出能量和光谱都很稳定。

色散精确控制。该OPCPA装置的前端使用了一台超高速100kHz可编程声光调制器(LN-AOPDF)，可以调控SC的光谱相位，在整个OPCPA系统中获得最佳的色散控制和补偿，得到最好的压缩脉宽。

CEP精确控制。该OPCPA装置中，上述LN-AOPDF可以结合CEP测量装置组成CEP反馈稳定系统(DAZZLER--Fringeezz)，实现CEP长时间的主动稳定(65 mrad rms @8h)。到目前为止，该CEP稳定性在同类产品中仍保持着世界第一水平。

下面我们对该激光系统进行详细介绍：

Red & Black Starzz基本原理基于A. Dubeitis等人于1992年提出光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术【3】，如下图1所示。超短脉冲(fs)先经过展宽器将其脉冲在时间上展宽到皮秒(ps)或纳秒(ns)量级，然后基于光参量放大技术（OPA）将展宽后的脉冲能量放大，最后再用压缩器将展宽脉冲压缩回超短脉冲(fs)。这样可以避免在放大脉冲过程中非线性晶体，光学镜片等光学元件损伤。

图1. OPCPA基本原理框图

图2和图3分别是Red & Black Starzz的系统结构框图和光路图。Red & Black Starzz系统主要由4部分构成：外置泵浦源(Dira-200, 200W, 100kHz, 1030nm)，OPCPA前端放大器(4W, “front-end”)【4】，OPCPA主放大器(15W, “booster”)【2】和脉冲综合诊断系统。

  图2. Starzz系统结构示意图

图3. Starzz系统光路图

泵浦源：任一脉宽<2ps的高重频Yb放大器，代表产品为Trumpf的Dira系列和Amplitude的Tangerine系列。这里以Dira-200为例，其输出平均功率200W@100kHz，中心波长1030nm (Dira-200, TRUMPF Scientific Lasers) ，脉冲半高宽1.1ps；

种子源：为了获得精确的时间同步和消除延时抖动，这里使用红外超连续谱产生技术，用接近1W的泵浦光聚焦在YAG晶体上，得到1.3-1.9um的宽带且稳定的超连续谱(SC)；

LN-AOPDF: 色散和CEP控制的核心元件。可以控制SC的相位，使信号光和泵浦光的脉冲宽度完美匹配；可以选择SC的带宽和波形；可以预补偿后期光学元件引入的高阶色散；可以与2f-to-f干涉仪及Fringeezz组成主动CEP控制和稳定系统等；

DFG：(MgO:PPLN, 准相位匹配)。产生可调谐的宽带中红外光2.5-4.0um；并实现其被动CEP稳定(“self-seeded DFG”);

OPA2&3: 前端放大器，4W@3.2um，100kHz；

OPA4：主放大器，16.5W@3.2um，100kHz；

压缩器：在20mm硅板中进行色散补偿，得到15.2W，38.2fs@3.2um，100kHz；

环境：整个OPCPA系统内部充干燥空气或氮气，防止中红外波段水蒸气和CO2对红外特定光谱的吸收；

由于整个OPCPA过程，所有的色散控制元件均使用块状固体材料。所以，该OPCPA系统极其稳定。如，连续运行8小时，其能量稳定性为0.6% RMS(1s)。

图4. CEP锁定的Starzz

另外，通过2f-to-f方法配合一台快速条纹探测器(Fringeezz, Fastlite)测量输出脉冲的CEP，与LN-AOPDF (Dazzler)构成闭合回路，可以实现CEP主动控制稳定(@10kHz)。如图4, 5. 没有进行CEP主动控制时，其CEP稳定性为344 mrad RMS；CEP主动控制时，其CEP稳定性为76 mrad RMS；且超过8小时没有产生CEP漂移。到目前为止，该记录依然没有被其它同种类型的放大系统打破。

图5. CEP被动稳定性(without feedback loop)和CEP主动控制稳定性(with feedback loop)

总结：Starzz系列产品，以其高重频100kHz，长波长3.2um且可调谐，高功率15W，短脉宽4-cycle，长时间的功率/能量稳定性，卓越的CEP稳定性且无漂移，输出光斑聚焦峰值强度为〖10〗^15  W⁄〖cm〗^2 (聚焦光斑20um，FWHM)，可以广泛应用在HHG，XUV光谱和成像，阿秒科学等领域。目前已经成功应用于欧洲ELI-ALPS阿秒科学系统，英国卢瑟福国家实验室，德国MBI，加拿大NRC-Corkum组，日本加速器和同步辐射系统Spring-8等系统中，且得到了业界人士的一致好评。 

Red & Black Starzz的输出指标总结如下【5】：

参考资料：

【1】T.Popmintchev, et.al. “Bright coherent ultrahigh harmonics in the keV x-ray regime from mid-infrared femtosecond lasers,” Science 336(6086), 1287-1291 (2012).

【2】N. Thiré, et.al "Highly stable, 15 W, few-cycle, 65 mrad CEP-noise mid-IR OPCPA for statistical physics," Opt. Express 26, 26907-26915 (2018).

【3】A. Dubietis, G. Jonušauskas, A. Piskarskas, “Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal, ” Optics Communications, Volume 88, Issues 4–6, 1992,

【4】N. Thiré, et.al "4-W, 100-kHz, few-cycle mid-infrared source with sub-100-mrad carrier-envelope phase noise," Opt. Express 25, 1505-1514 (2017).

【5】http://www.fastlite.com/en/ar824685-823533-Starzz.html