中紅外超快激光系統(tǒng)研究進展

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室與中國科學院強激光材料重點實驗室合作，在中紅外超快激光研究方面取得進展。相關(guān)研究成果以“Terawatt-level 2.4-μm pulses based on Cr:ZnS chirped pulse amplification”為題發(fā)表在Optica上。

Cr:ZnS/ZnSe材料在2.4μm波段具有約800nm的寬帶發(fā)射截面，是中紅外理想的寬帶放大晶體，被認為是“中紅外的鈦寶石”。但基于Cr:ZnS/ZnSe材料實現(xiàn)高峰值功率輸出，存在一系列困難，如缺少相應(yīng)的（1.6μm）大能量泵浦源，高發(fā)射截面和非均勻摻雜引起的強橫向寄生振蕩等。

研究人員通過基于KTP晶體的OPO技術(shù)建立了1.6μm大能量泵浦源；通過多塊Cr:ZnS晶體組合，克服了泵浦光吸收飽和的問題，并通過墨水包邊技術(shù)有效抑制了放大過程中橫向技術(shù)振蕩，獲得大于200mJ的放大輸出；通過調(diào)諧種子波長，補償光譜紅移和增益窄化，實現(xiàn)寬帶放大；最終獲得2.4μm的TW量級峰值功率輸出。利用該激光器輸出激光在空氣中成絲，可以觀察到11級次諧波（220nm）產(chǎn)生，其中三次諧波產(chǎn)生的效率高達1%。未來將以此為平臺，開展相關(guān)應(yīng)用研究，同時進一步提升激光的重頻和峰值功率。

圖1. 中紅外TW激光系統(tǒng)

圖2. (a) 主放大器抽取能量(黑色方點)和抽取效率(黑色方點); (b)放大脈沖能量穩(wěn)定性. 插圖：放大脈沖近場光斑。

圖3. 壓縮脈沖FROG測量 (a), (b)測量和反演Trace圖；(c)測量 (紅色) 和反演 (黑色) 光譜,以及反演光譜相位(藍色)； (d)反演脈沖(黑色)和Fourier變換極限脈沖(紅色)。

圖4. 空氣成絲產(chǎn)生諧波實驗 插圖: (a)成絲照片；(b)成絲后光斑照片； (c)棱鏡后諧波照片。

圖5. 3次諧波產(chǎn)生效率

研究工作得到了重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略重點研究計劃的支持。

審核編輯：湯梓紅