近日，中國科學(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與安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所晶體材料研究室研究員吳海信課題組合作開展的中紅外磷鍺鋅光參量振蕩器（ZGP-OPO）研究在轉(zhuǎn)換效率上取得新突破，相關(guān)研究成果發(fā)表于美國光學(xué)學(xué)會(huì)期刊《光學(xué)快報(bào)》（Optics Express，2017, 25(4):3373）。
相干可調(diào)諧中紅外激光在激光光譜學(xué)、生物醫(yī)療、環(huán)境探測(cè)及光電對(duì)抗等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。光參量振蕩器（OPO）是目前獲得相干可調(diào)諧中紅外激光輸出的重要手段，其轉(zhuǎn)換效率的提高不僅可以獲得更大的輸出能量，使系統(tǒng)工作在遠(yuǎn)離損傷的臨界態(tài)，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全可靠性。但受限于泵浦源激光器的光束質(zhì)量、脈寬、脈沖能量，以及非線性晶體的品質(zhì)和參量轉(zhuǎn)換過程中相位失配、逆轉(zhuǎn)換、走離效應(yīng)等多因素的影響，獲得高轉(zhuǎn)換效率的脈沖中紅外激光輸出一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。眾所周知，光參量轉(zhuǎn)換效率與泵浦光束直徑以及其功率密度緊密相關(guān)，為了獲得高的泵浦功率密度，研究人員通常不得不將較小能量的泵浦光聚焦在非線性晶體中，而小光斑又限制了轉(zhuǎn)換效率的提高，并且聚焦必然會(huì)引起非線性轉(zhuǎn)化過程中的相位失配、逆轉(zhuǎn)換、走離效應(yīng)等現(xiàn)象發(fā)生，阻礙了高轉(zhuǎn)換效率的獲得。長(zhǎng)期以來，光參量的光-光轉(zhuǎn)換效率一直停留在50-60%。
研究采用了自主生長(zhǎng)的中紅外非線性激光ZGP晶體，ZGP晶體具有高的損傷閾值和高的非線性系數(shù)，是中紅外3~5微米波段的最佳晶體材料。但是，該晶體必須采用波長(zhǎng)2微米以上的激光泵浦，而目前該波段的商用激光器不能滿足高轉(zhuǎn)換效率的需求，無法既獲得較短的激光脈沖，且又具有較高的泵浦能量。該研究在前期工作的積累上，利用自主研制的2.09微米波長(zhǎng)的高質(zhì)量調(diào)Q鈥激光作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了脈沖能量32mJ、脈寬29.9ns、光束質(zhì)量1.29的激光輸出。通過合理設(shè)計(jì)的OPO系統(tǒng)，在2.1mm、3.1mm直徑的非聚焦的大光束泵浦下，同時(shí)抑制了相位失配、逆轉(zhuǎn)換、走離效應(yīng)等多因素的影響，獲得了脈沖能量19mJ的3~5微米波段的可調(diào)諧中紅外激光輸出，將光-光轉(zhuǎn)換效率提高至75.7%（斜率效率83%），創(chuàng)造了目前中紅外ZGP參量轉(zhuǎn)換效率的新紀(jì)錄，將原來的參量光-光轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄提高了30%。
該OPO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合考慮了泵浦光束的最佳尺寸及功率密度、非線性晶體的最佳長(zhǎng)度及最佳耦合輸出率等多項(xiàng)參數(shù)，在保證了非線性轉(zhuǎn)換所需的高峰值功率密度的同時(shí)，對(duì)泵浦光束進(jìn)行了優(yōu)化，提高了其空間均勻性并減小了發(fā)散角；同時(shí)，設(shè)計(jì)了抑制空間走離效應(yīng)及逆轉(zhuǎn)換的OPO結(jié)構(gòu)，并結(jié)合高品質(zhì)的ZGP晶體，使得該OPO系統(tǒng)工作在接近理想條件的狀態(tài)。該OPO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很好地平衡了高峰值功率密度與逆轉(zhuǎn)換和晶體損傷之間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率的突破。
該研究中的大尺寸中紅外非線性激光ZGP晶體，美國和歐盟一直對(duì)我國實(shí)施禁售和技術(shù)封鎖，該研究突破了溫梯波動(dòng)產(chǎn)生晶體內(nèi)應(yīng)力、籽晶匹配方向Bridgman法直接生長(zhǎng)等關(guān)鍵技術(shù)問題，并采用成分補(bǔ)償熱退火和輔以高能電子輻照方式，進(jìn)一步降低了晶體的近紅外殘余光吸收。自主制備的ZGP晶體元件在晶體尺寸、光學(xué)一致性、穩(wěn)定性、激光損傷閾值以及吸收系數(shù)（2微米波段吸收系數(shù)：<0.02/cm）等核心指標(biāo)方面，達(dá)到了國外同類晶體的領(lǐng)先水平，為該研究工作提供了關(guān)鍵元件。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、中國工程物理研究院聯(lián)合基金及中科院知識(shí)創(chuàng)新工程的支持。
相干可調(diào)諧中紅外激光在激光光譜學(xué)、生物醫(yī)療、環(huán)境探測(cè)及光電對(duì)抗等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。光參量振蕩器（OPO）是目前獲得相干可調(diào)諧中紅外激光輸出的重要手段，其轉(zhuǎn)換效率的提高不僅可以獲得更大的輸出能量，使系統(tǒng)工作在遠(yuǎn)離損傷的臨界態(tài)，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全可靠性。但受限于泵浦源激光器的光束質(zhì)量、脈寬、脈沖能量，以及非線性晶體的品質(zhì)和參量轉(zhuǎn)換過程中相位失配、逆轉(zhuǎn)換、走離效應(yīng)等多因素的影響，獲得高轉(zhuǎn)換效率的脈沖中紅外激光輸出一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。眾所周知，光參量轉(zhuǎn)換效率與泵浦光束直徑以及其功率密度緊密相關(guān)，為了獲得高的泵浦功率密度，研究人員通常不得不將較小能量的泵浦光聚焦在非線性晶體中，而小光斑又限制了轉(zhuǎn)換效率的提高，并且聚焦必然會(huì)引起非線性轉(zhuǎn)化過程中的相位失配、逆轉(zhuǎn)換、走離效應(yīng)等現(xiàn)象發(fā)生，阻礙了高轉(zhuǎn)換效率的獲得。長(zhǎng)期以來，光參量的光-光轉(zhuǎn)換效率一直停留在50-60%。
研究采用了自主生長(zhǎng)的中紅外非線性激光ZGP晶體，ZGP晶體具有高的損傷閾值和高的非線性系數(shù)，是中紅外3~5微米波段的最佳晶體材料。但是，該晶體必須采用波長(zhǎng)2微米以上的激光泵浦，而目前該波段的商用激光器不能滿足高轉(zhuǎn)換效率的需求，無法既獲得較短的激光脈沖，且又具有較高的泵浦能量。該研究在前期工作的積累上，利用自主研制的2.09微米波長(zhǎng)的高質(zhì)量調(diào)Q鈥激光作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了脈沖能量32mJ、脈寬29.9ns、光束質(zhì)量1.29的激光輸出。通過合理設(shè)計(jì)的OPO系統(tǒng)，在2.1mm、3.1mm直徑的非聚焦的大光束泵浦下，同時(shí)抑制了相位失配、逆轉(zhuǎn)換、走離效應(yīng)等多因素的影響，獲得了脈沖能量19mJ的3~5微米波段的可調(diào)諧中紅外激光輸出，將光-光轉(zhuǎn)換效率提高至75.7%（斜率效率83%），創(chuàng)造了目前中紅外ZGP參量轉(zhuǎn)換效率的新紀(jì)錄，將原來的參量光-光轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄提高了30%。
該OPO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合考慮了泵浦光束的最佳尺寸及功率密度、非線性晶體的最佳長(zhǎng)度及最佳耦合輸出率等多項(xiàng)參數(shù)，在保證了非線性轉(zhuǎn)換所需的高峰值功率密度的同時(shí)，對(duì)泵浦光束進(jìn)行了優(yōu)化，提高了其空間均勻性并減小了發(fā)散角；同時(shí)，設(shè)計(jì)了抑制空間走離效應(yīng)及逆轉(zhuǎn)換的OPO結(jié)構(gòu)，并結(jié)合高品質(zhì)的ZGP晶體，使得該OPO系統(tǒng)工作在接近理想條件的狀態(tài)。該OPO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很好地平衡了高峰值功率密度與逆轉(zhuǎn)換和晶體損傷之間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率的突破。
該研究中的大尺寸中紅外非線性激光ZGP晶體，美國和歐盟一直對(duì)我國實(shí)施禁售和技術(shù)封鎖，該研究突破了溫梯波動(dòng)產(chǎn)生晶體內(nèi)應(yīng)力、籽晶匹配方向Bridgman法直接生長(zhǎng)等關(guān)鍵技術(shù)問題，并采用成分補(bǔ)償熱退火和輔以高能電子輻照方式，進(jìn)一步降低了晶體的近紅外殘余光吸收。自主制備的ZGP晶體元件在晶體尺寸、光學(xué)一致性、穩(wěn)定性、激光損傷閾值以及吸收系數(shù)（2微米波段吸收系數(shù)：<0.02/cm）等核心指標(biāo)方面，達(dá)到了國外同類晶體的領(lǐng)先水平，為該研究工作提供了關(guān)鍵元件。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、中國工程物理研究院聯(lián)合基金及中科院知識(shí)創(chuàng)新工程的支持。
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