近日，中國科學院合肥物質科學研究院醫(yī)學物理與技術中心醫(yī)用激光技術研究室研究員江海河課題組與安徽光學精密機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）研究在轉換效率上取得新突破，相關研究成果發(fā)表于美國光學學會期刊《光學快報》（Optics Express，2017, 25(4):3373）。
相干可調諧中紅外激光在激光光譜學、生物醫(yī)療、環(huán)境探測及光電對抗等領域有著重要的應用。光參量振蕩器（OPO）是目前獲得相干可調諧中紅外激光輸出的重要手段，其轉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量、脈寬、脈沖能量，以及非線性晶體的品質和參量轉換過程中相位失配、逆轉換、走離效應等多因素的影響，獲得高轉換效率的脈沖中紅外激光輸出一直是一項挑戰(zhàn)。眾所周知，光參量轉換效率與泵浦光束直徑以及其功率密度緊密相關，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換效率的提高，并且聚焦必然會引起非線性轉化過程中的相位失配、逆轉換、走離效應等現(xiàn)象發(fā)生，阻礙了高轉換效率的獲得。長期以來，光參量的光-光轉換效率一直停留在50-60%。
研究采用了自主生長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微米波長的高質量調Q鈥激光作為泵浦源，實現(xiàn)了脈沖能量32mJ、脈寬29.9ns、光束質量1.29的激光輸出。通過合理設計的OPO系統(tǒng)，在2.1mm、3.1mm直徑的非聚焦的大光束泵浦下，同時抑制了相位失配、逆轉換、走離效應等多因素的影響，獲得了脈沖能量19mJ的3~5微米波段的可調諧中紅外激光輸出，將光-光轉換效率提高至75.7%（斜率效率83%），創(chuàng)造了目前中紅外ZGP參量轉換效率的新紀錄，將原來的參量光-光轉換效率紀錄提高了30%。
該OPO系統(tǒng)的設計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度及最佳耦合輸出率等多項參數(shù)，在保證了非線性轉換所需的高峰值功率密度的同時，對泵浦光束進行了優(yōu)化，提高了其空間均勻性并減小了發(fā)散角；同時，設計了抑制空間走離效應及逆轉換的OPO結構，并結合高品質的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)的設計很好地平衡了高峰值功率密度與逆轉換和晶體損傷之間的矛盾，從而實現(xiàn)了高轉換效率的突破。
該研究中的大尺寸中紅外非線性激光ZGP晶體，美國和歐盟一直對我國實施禁售和技術封鎖，該研究突破了溫梯波動產生晶體內應力、籽晶匹配方向Bridgman法直接生長等關鍵技術問題，并采用成分補償熱退火和輔以高能電子輻照方式，進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）等核心指標方面，達到了國外同類晶體的領先水平，為該研究工作提供了關鍵元件。
該工作得到國家自然科學基金、中國工程物理研究院聯(lián)合基金及中科院知識創(chuàng)新工程的支持。
相干可調諧中紅外激光在激光光譜學、生物醫(yī)療、環(huán)境探測及光電對抗等領域有著重要的應用。光參量振蕩器（OPO）是目前獲得相干可調諧中紅外激光輸出的重要手段，其轉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量、脈寬、脈沖能量，以及非線性晶體的品質和參量轉換過程中相位失配、逆轉換、走離效應等多因素的影響，獲得高轉換效率的脈沖中紅外激光輸出一直是一項挑戰(zhàn)。眾所周知，光參量轉換效率與泵浦光束直徑以及其功率密度緊密相關，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換效率的提高，并且聚焦必然會引起非線性轉化過程中的相位失配、逆轉換、走離效應等現(xiàn)象發(fā)生，阻礙了高轉換效率的獲得。長期以來，光參量的光-光轉換效率一直停留在50-60%。
研究采用了自主生長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微米波長的高質量調Q鈥激光作為泵浦源，實現(xiàn)了脈沖能量32mJ、脈寬29.9ns、光束質量1.29的激光輸出。通過合理設計的OPO系統(tǒng)，在2.1mm、3.1mm直徑的非聚焦的大光束泵浦下，同時抑制了相位失配、逆轉換、走離效應等多因素的影響，獲得了脈沖能量19mJ的3~5微米波段的可調諧中紅外激光輸出，將光-光轉換效率提高至75.7%（斜率效率83%），創(chuàng)造了目前中紅外ZGP參量轉換效率的新紀錄，將原來的參量光-光轉換效率紀錄提高了30%。
該OPO系統(tǒng)的設計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度及最佳耦合輸出率等多項參數(shù)，在保證了非線性轉換所需的高峰值功率密度的同時，對泵浦光束進行了優(yōu)化，提高了其空間均勻性并減小了發(fā)散角；同時，設計了抑制空間走離效應及逆轉換的OPO結構，并結合高品質的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)的設計很好地平衡了高峰值功率密度與逆轉換和晶體損傷之間的矛盾，從而實現(xiàn)了高轉換效率的突破。
該研究中的大尺寸中紅外非線性激光ZGP晶體，美國和歐盟一直對我國實施禁售和技術封鎖，該研究突破了溫梯波動產生晶體內應力、籽晶匹配方向Bridgman法直接生長等關鍵技術問題，并采用成分補償熱退火和輔以高能電子輻照方式，進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）等核心指標方面，達到了國外同類晶體的領先水平，為該研究工作提供了關鍵元件。
該工作得到國家自然科學基金、中國工程物理研究院聯(lián)合基金及中科院知識創(chuàng)新工程的支持。
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