高转换效率、宽调谐脉冲中红外参量振荡激光威廉希尔官方网站 取得新进展

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与威廉希尔官方网站 中心医用激光威廉希尔官方网站 研究室研究员江海河课题组在高转换效率、宽调谐脉冲中红外参量振荡激光威廉希尔官方网站 方面取得新进展，相关研究成果以“High-conversion-efficiency tunable mid-infrared BaGa₄Se₇ optical parametric oscillator pumped by a 2.79-μm laser”为题发表于美国光学学会期刊Optics Letters上。

实验装置示意图

中红外3~12 μm波段激光在大气探测、医疗、科研以及军事等诸多领域有着广泛的应用而受到人们的广泛关注。光学参量振荡器（OPO）具有全固化、窄线宽、结构紧凑、转换效率高、波长可调谐等优点，被认为是制备宽调谐中红外激光器最理想的方法之一。光学参量振荡是一种非线性强光效应，其中非线性光学晶体和泵浦源是两个核心器件。但是，由于缺乏同时具有高透光范围、高损伤阈值、高非线性系数的光学晶体，限制了光参量振荡中红外激光波长调谐范围和脉冲能量输出；同时，缺乏高光束质量、高峰值功率的中红外泵浦源，而现有成熟泵浦源主要是1 μm和2 μm的近红外激光器，在通过光参量振荡转换为中红外激光尤其是5 μm以上波长激光时，近红外泵浦光λ1由于远离参量激光λ2而存在着大的量子亏损（η = λ1/λ2），降低了光参量振荡中红外激光转换效率、输出能量和光束质量。非线性光学晶体和泵浦源已成为中红外激光威廉希尔官方网站 发展的瓶颈，阻碍了光参量振荡中红外激光的应用。

OPO输出能量曲线和效率曲线

针对上述存在的问题，该课题组研究人员与中科院理化威廉希尔官方网站 研究所吴以成团队研究员姚吉勇合作，使用自主发明生长的新型非线性晶体BaGa₄Se₇，其透光范围为0.47 ~ 18 μm，并且在1 ~ 12 μm 范围内具有高的透过率，损伤阈值达到557 MW/cm²，最大非线性系数为24.3 pm/V，是目前最有潜力获得宽调谐、高能量的光参量振荡中红外非线性光学晶体。在泵浦源方面，自主研制了波长较长的中红外激光器，降低了泵浦光与参量光之间的量子亏损。在前期工作基础上，进一步优化了2.79 μm Cr,Er:YSGG激光器谐振腔设计，采用振荡级 + 放大级结构获得了高重复频率2.79 μm纳秒脉冲激光输出，并通过光束整形获得了OPO所需的高光束质量、高峰值功率密度的泵浦激光。设计了返回式泵浦的双通泵浦结构的参量振荡器，使OPO在来回振荡过程中都发生参量转换，从而增大转换效率并抑制了参量光到泵浦光的逆转换，有利于获得较大能量的脉冲输出。最终2.79 μm泵浦的BGSe-OPO获得了工作频率10 Hz、3.94 μm ~ 9.55 μm的可调谐参量光输出，最大脉冲能量3.5 mJ、脉冲宽度21 ns、光束质量因子M_2x = 5.0，M_2y = 4.6，其对应的光转换效率为18.9%、斜效率高达31.6%，该斜效率比之前报道的BGSe-OPO最高斜效率提高了59%。高转换效率、宽波长调谐有望拓展中红外光参量振荡激光器的应用。

OPO实际输出波长-角度调谐曲线和理论调谐曲线对比图

该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院创新基金以及安徽省自然科学基金的支持。