擴(kuò)展激光波長(zhǎng)范圍是光譜學(xué)的重要內(nèi)容之一，得益于超快光學(xué)的快速發(fā)展，目前人們已產(chǎn)生了振蕩頻率覆蓋從太赫茲、紅外、可見(jiàn)、極紫外乃至X射線的相干輻射，極大地推進(jìn)了光科學(xué)挑戰(zhàn)極限的能力。特別是近年來(lái)在阿秒脈沖激光、光學(xué)頻率梳、超強(qiáng)物理等研究中，紅外飛秒激光作為取得新突破的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，引起了人們?cè)絹?lái)越廣泛的重視。實(shí)際上，中紅外相干光源在自然科學(xué)與生命科學(xué)均有著廣泛的應(yīng)用，如國(guó)家安全、環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、分子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)的時(shí)域相干控制等。目前中紅外激光大多都是基于近紅外超快激光驅(qū)動(dòng)的光參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的，由于該技術(shù)所用非線性介質(zhì)的吸收波長(zhǎng)限制，特別是近紅外泵浦激光有限的可輸出功率及低的重復(fù)頻率，迄今人們所能得到的中紅外激光不僅鮮有長(zhǎng)于5μm的波長(zhǎng)，而且平均功率也僅數(shù)毫瓦，高功率的中紅外激光僅能從大型同步輻射光源產(chǎn)生。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）魏志義研究員領(lǐng)導(dǎo)的L07組一直致力于超快激光的研究，并于2011年建成當(dāng)時(shí)國(guó)際上最高峰值功率的臺(tái)面飛秒PW激光裝置，2012年首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)阿秒激光脈沖，2013年與陳小龍研究組合作首次用SiC晶體獲得4μm波長(zhǎng)的飛秒激光。然而這些激光前沿結(jié)果都是基于鈦寶石激光系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的，不僅造價(jià)昂貴，運(yùn)行復(fù)雜，而且重復(fù)頻率低(單次或1kHz)，對(duì)應(yīng)平均功率極其有限，為此他們近年來(lái)系統(tǒng)開展了二極管激光直接泵浦的全固態(tài)飛秒激光研究。在魏志義研究員的指導(dǎo)下，該組的博士研究生張金偉等人于2013年首次實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)Yb:YGG激光的克爾透鏡鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，得到了重復(fù)頻率160MHz、脈寬88fs的近紅外激光輸出（Opt Express, Vol.21, 29867 -29873）。此后又在基金委重大國(guó)際合作項(xiàng)目的支持下，通過(guò)與德國(guó)馬普量子光學(xué)研究所（MPQ）合作，利用二極管激光泵浦的薄片Yb:YAG激光成功實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率從100MHz到260MHz、平均功率從75W到90W的飛秒克爾透鏡鎖模，成為國(guó)際上該類研究獲得的最高重復(fù)頻率（Optics Letters, Vol.40, 1627- 1630）。

　　最近，該研究組的張金偉、魏志義進(jìn)一步與德國(guó)及西班牙等國(guó)的科學(xué)家合作，利用上述100MHz重復(fù)頻率的高平均功率薄片飛秒Yb:YAG激光作為驅(qū)動(dòng)激光、LGS作為非線性差頻晶體，成功產(chǎn)生了平均功率0.1W、脈沖寬度66fs、波長(zhǎng)覆蓋6.8-16.4μm波段的中紅外飛秒激光，第一次從該波段得到了高平均功率、高重復(fù)頻率的相干輻射。圖1為實(shí)驗(yàn)光路圖，由薄片Yb:YAG鎖模激光輸出的1030nm近紅外高功率飛秒壓縮脈沖經(jīng)光楔分光后，作為主光束的透射光經(jīng)斬波器入射到LGS晶體產(chǎn)生中紅外差頻激光，表面反射的小部分光作為探針光。采用5mm厚的Ge濾光片將經(jīng)離軸拋物鏡反射準(zhǔn)直的中紅外激光與經(jīng)延時(shí)線的近紅外激光合束后，進(jìn)行脈寬及其他參數(shù)的診斷測(cè)量，該濾光片對(duì)中紅外激光透射，而對(duì)1030nm的近紅外激光全反。圖1中a為近紅外激光的空間分布圖，b為中紅外激光的空間分布與功率測(cè)量示意圖，c為電光取樣（EOS）測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)探測(cè)中紅外激光電場(chǎng)調(diào)制30μm厚GaSe晶體的雙折射引起的偏振態(tài)變化與探針光之間的延時(shí)關(guān)系并結(jié)合斬波器鎖相放大系統(tǒng)，他們得到該激光的脈寬及光譜相位信息如圖2所示，其中a為測(cè)量及反演后的中紅外激光振蕩電場(chǎng)分布，b為傅里葉變換EOS信號(hào)后的功率譜密度，c為光譜相位。對(duì)應(yīng)11.5μm的載波波長(zhǎng)，其脈沖振蕩不到1.7個(gè)光周期，結(jié)合其重復(fù)頻率及測(cè)量到的平均功率，所對(duì)應(yīng)的亮度達(dá)4.9×1019光子數(shù)/（每秒·平方毫米·立方弧度·0.1%帶寬）。該結(jié)果不僅比目前這一波段最新光學(xué)頻率梳的單個(gè)梳齒平均功率高2-3個(gè)量級(jí)，而且在11.5 μm波長(zhǎng)處的亮度比第三代同步輻射這樣的大型裝置高出數(shù)個(gè)量級(jí)，對(duì)于未來(lái)光學(xué)頻率梳、THz技術(shù)、中紅外光譜學(xué)、非線性顯微成像及超快科學(xué)等研究的發(fā)展，具有積極的意義。

圖1. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路圖

圖2. EOS測(cè)量及反演結(jié)果