近期，中科院理化所激光中心皮秒激光研究團隊開創(chuàng)性地提出了一種新型高能量皮秒光參量振蕩技術(shù)，突破了超短脈沖光學(xué)參量震蕩（OPO）能量提升的難題，提出再生放大——光參量振蕩（RG-OPO）的新思路，得以在長度僅為1.5 m的OPO腔中實現(xiàn)最大脈沖能量30.5 μJ、重頻10 kHz、波長1.53 μm、脈寬7 ps 的OPO信號光脈沖輸出，將國際上皮秒或者飛秒OPO輸出的最高單脈沖能量一舉提升了20倍。
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高能量紅外超短脈沖激光在很多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，如阿秒光學(xué)、激光與材料相互作用以及激光遙感等。在阿秒光學(xué)中，高能量紅外皮秒或飛秒超短脈沖激光可用作產(chǎn)生高次諧波（HHG）的抽運源；采用高能量紅外超短脈沖激光直寫可制作出各種功能的光學(xué)器件。OPO方法具有無需種子激光、光束質(zhì)量好、線寬窄、寬調(diào)諧、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，是獲得高能量紅外超短脈沖激光的重要方法，在某些重要的波段，如3~5 μm，8~12 μm等大氣透過窗口，OPO往往是獲得高能量皮秒脈沖的最有效途徑。
在傳統(tǒng)的同步抽運超短脈沖OPO設(shè)計中，OPO腔長要與基頻抽運脈沖的重復(fù)頻率相匹配，從而滿足同步抽運條件，即脈沖重復(fù)頻率越低，所需要的OPO腔長越長。為了獲得更大的脈沖能量輸出，甚至需要采用數(shù)十米長的OPO腔，才能在較低重頻下工作。這種設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且獲得的脈沖能量有限。之前國際上報道的皮秒或者飛秒OPO實現(xiàn)的最大脈沖能量僅為1.5 μJ左右，長期以來停滯不前。
圖1 高能量皮秒光參量振蕩光路示意圖
圖1是高能量皮秒光參量振蕩光路示意圖，下半部分(part 1)為基頻光脈沖注入鎖定放大部分，大能量的基頻皮秒脈沖注入鎖定到再生腔內(nèi)從而可以在腔內(nèi)循環(huán)。上半部分(part 2)為皮秒OPO及脈沖倒出部分，在大能量基頻皮秒脈沖的往復(fù)抽運下，OPO腔內(nèi)產(chǎn)生大能量的皮秒?yún)⒘抗饷}沖，在脈沖能量達到最大值時通過Q開關(guān)將其倒出。該裝置全部光路長度僅為米級，非常緊湊，而根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計，同樣的重復(fù)頻率下OPO的腔長須長達15 km，顯然是不現(xiàn)實的。
圖2 基頻皮秒脈沖與OPO信號光脈沖能量隨抽運功率的變化
基頻皮秒脈沖與OPO信號光脈沖能量隨抽運功率的變化如圖2所示，在基頻皮秒脈沖能量達到170 μJ的情況下，OPO信號光能量達到最高的30.5 μJ。圖3所示為OPO腔內(nèi)信號光脈沖演化過程以及由Q開關(guān)倒出的重頻為10 kHz的OPO信號光脈沖序列。
圖3 OPO腔內(nèi)信號光脈沖演化與信號光輸出脈沖序列
該研究成果在國際上率先開啟了超短脈沖OPO能量進入數(shù)十μJ的大門，并有潛力在未來提高3個量級至數(shù)mJ級，解決了長期以來超短脈沖OPO脈沖能量止步于μJ量級的國際難題。該技術(shù)不僅適用于皮秒OPO，同樣也適用于飛秒OPO，只要采取合適的措施來控制腔內(nèi)的色散以及非線性效應(yīng)。
相關(guān)成果以30.5-μJ, 10-kHz, picosecond optical parametric oscillator pumped synchronously and intracavity by a regenerative amplifier為題發(fā)表在Optics Letters [ 43 （ 3 ）：539 , 2018] 上。研究團隊首席科學(xué)家為許祖彥院士，團隊負責(zé)人為彭欽軍研究員，皮秒激光研究方向負責(zé)人為劉可博士。該結(jié)果一經(jīng)發(fā)表，引起了國際著名激光行業(yè)雜志laser focus world的關(guān)注，入選2018 年第2期Newsbreaks。該工作得到了中科院創(chuàng)新基金（CXJJ-16S059）的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OL.43.000539
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