高轉(zhuǎn)換效率、寬調(diào)諧脈沖中紅外參量振蕩激光技術(shù)取得新進(jìn)展

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)中心醫(yī)用激光技術(shù)研究室研究員江海河課題組在高轉(zhuǎn)換效率、寬調(diào)諧脈沖中紅外參量振蕩激光技術(shù)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“High-conversion-efficiency tunable mid-infrared BaGa₄Se₇ optical parametric oscillator pumped by a 2.79-μm laser”為題發(fā)表于美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)期刊Optics Letters上。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

中紅外3~12 μm波段激光在大氣探測(cè)、醫(yī)療、科研以及軍事等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用而受到人們的廣泛關(guān)注。光學(xué)參量振蕩器（OPO）具有全固化、窄線寬、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、波長(zhǎng)可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制備寬調(diào)諧中紅外激光器最理想的方法之一。光學(xué)參量振蕩是一種非線性強(qiáng)光效應(yīng)，其中非線性光學(xué)晶體和泵浦源是兩個(gè)核心器件。但是，由于缺乏同時(shí)具有高透光范圍、高損傷閾值、高非線性系數(shù)的光學(xué)晶體，限制了光參量振蕩中紅外激光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和脈沖能量輸出；同時(shí)，缺乏高光束質(zhì)量、高峰值功率的中紅外泵浦源，而現(xiàn)有成熟泵浦源主要是1 μm和2 μm的近紅外激光器，在通過光參量振蕩轉(zhuǎn)換為中紅外激光尤其是5 μm以上波長(zhǎng)激光時(shí)，近紅外泵浦光λ1由于遠(yuǎn)離參量激光λ2而存在著大的量子虧損（η = λ1/λ2），降低了光參量振蕩中紅外激光轉(zhuǎn)換效率、輸出能量和光束質(zhì)量。非線性光學(xué)晶體和泵浦源已成為中紅外激光技術(shù)發(fā)展的瓶頸，阻礙了光參量振蕩中紅外激光的應(yīng)用。

OPO輸出能量曲線和效率曲線

針對(duì)上述存在的問題，該課題組研究人員與中科院理化技術(shù)研究所吳以成團(tuán)隊(duì)研究員姚吉勇合作，使用自主發(fā)明生長(zhǎng)的新型非線性晶體BaGa₄Se₇，其透光范圍為0.47 ~ 18 μm，并且在1 ~ 12 μm 范圍內(nèi)具有高的透過率，損傷閾值達(dá)到557 MW/cm²，最大非線性系數(shù)為24.3 pm/V，是目前最有潛力獲得寬調(diào)諧、高能量的光參量振蕩中紅外非線性光學(xué)晶體。在泵浦源方面，自主研制了波長(zhǎng)較長(zhǎng)的中紅外激光器，降低了泵浦光與參量光之間的量子虧損。在前期工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了2.79 μm Cr,Er:YSGG激光器諧振腔設(shè)計(jì)，采用振蕩級(jí) + 放大級(jí)結(jié)構(gòu)獲得了高重復(fù)頻率2.79 μm納秒脈沖激光輸出，并通過光束整形獲得了OPO所需的高光束質(zhì)量、高峰值功率密度的泵浦激光。設(shè)計(jì)了返回式泵浦的雙通泵浦結(jié)構(gòu)的參量振蕩器，使OPO在來回振蕩過程中都發(fā)生參量轉(zhuǎn)換，從而增大轉(zhuǎn)換效率并抑制了參量光到泵浦光的逆轉(zhuǎn)換，有利于獲得較大能量的脈沖輸出。最終2.79 μm泵浦的BGSe-OPO獲得了工作頻率10 Hz、3.94 μm ~ 9.55 μm的可調(diào)諧參量光輸出，最大脈沖能量3.5 mJ、脈沖寬度21 ns、光束質(zhì)量因子M_2x = 5.0，M_2y = 4.6，其對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率為18.9%、斜效率高達(dá)31.6%，該斜效率比之前報(bào)道的BGSe-OPO最高斜效率提高了59%。高轉(zhuǎn)換效率、寬波長(zhǎng)調(diào)諧有望拓展中紅外光參量振蕩激光器的應(yīng)用。

OPO實(shí)際輸出波長(zhǎng)-角度調(diào)諧曲線和理論調(diào)諧曲線對(duì)比圖

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院創(chuàng)新基金以及安徽省自然科學(xué)基金的支持。