據(jù)麥姆斯咨詢報道,近日,中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院醫(yī)學物理與技術(shù)中心醫(yī)用激光技術(shù)研究室研究員江海河課題組在高轉(zhuǎn)換效率、寬調(diào)諧脈沖中紅外參量振蕩激光技術(shù)方面取得新進展,相關(guān)研究成果以“High-conversion-efficiency tunable mid-infrared BaGa4Se7 optical parametric oscillator pumped by a 2.79-μm laser”為題發(fā)表于美國光學學會期刊Optics Letters上。
實驗裝置示意圖
中紅外3~12 μm波段激光在大氣探測、醫(yī)療、科研以及軍事等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用而受到人們的廣泛關(guān)注。光學參量振蕩器(OPO)具有全固化、窄線寬、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、波長可調(diào)諧等優(yōu)點,被認為是制備寬調(diào)諧中紅外激光器最理想的方法之一。光學參量振蕩是一種非線性強光效應(yīng),其中非線性光學晶體和泵浦源是兩個核心器件。但是,由于缺乏同時具有高透光范圍、高損傷閾值、高非線性系數(shù)的光學晶體,限制了光參量振蕩中紅外激光波長調(diào)諧范圍和脈沖能量輸出;同時,缺乏高光束質(zhì)量、高峰值功率的中紅外泵浦源,而現(xiàn)有成熟泵浦源主要是1 μm和2 μm的近紅外激光器,在通過光參量振蕩轉(zhuǎn)換為中紅外激光尤其是5 μm以上波長激光時,近紅外泵浦光λ1由于遠離參量激光λ2而存在著大的量子虧損(η = λ1/λ2),降低了光參量振蕩中紅外激光轉(zhuǎn)換效率、輸出能量和光束質(zhì)量。非線性光學晶體和泵浦源已成為中紅外激光技術(shù)發(fā)展的瓶頸,阻礙了光參量振蕩中紅外激光的應(yīng)用。
OPO輸出能量曲線和效率曲線
針對上述存在的問題,該課題組研究人員與中科院理化技術(shù)研究所吳以成團隊研究員姚吉勇合作,使用自主發(fā)明生長的新型非線性晶體BaGa4Se7,其透光范圍為0.47 ~ 18 μm,并且在1 ~ 12 μm 范圍內(nèi)具有高的透過率,損傷閾值達到557 MW/cm2,最大非線性系數(shù)為24.3 pm/V,是目前最有潛力獲得寬調(diào)諧、高能量的光參量振蕩中紅外非線性光學晶體。在泵浦源方面,自主研制了波長較長的中紅外激光器,降低了泵浦光與參量光之間的量子虧損。在前期工作基礎(chǔ)上,進一步優(yōu)化了2.79 μm Cr,Er:YSGG激光器諧振腔設(shè)計,采用振蕩級 + 放大級結(jié)構(gòu)獲得了高重復頻率2.79 μm納秒脈沖激光輸出,并通過光束整形獲得了OPO所需的高光束質(zhì)量、高峰值功率密度的泵浦激光。設(shè)計了返回式泵浦的雙通泵浦結(jié)構(gòu)的參量振蕩器,使OPO在來回振蕩過程中都發(fā)生參量轉(zhuǎn)換,從而增大轉(zhuǎn)換效率并抑制了參量光到泵浦光的逆轉(zhuǎn)換,有利于獲得較大能量的脈沖輸出。最終2.79 μm泵浦的BGSe-OPO獲得了工作頻率10 Hz、3.94 μm ~ 9.55 μm的可調(diào)諧參量光輸出,最大脈沖能量3.5 mJ、脈沖寬度21 ns、光束質(zhì)量因子M2x = 5.0,M2y = 4.6,其對應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率為18.9%、斜效率高達31.6%,該斜效率比之前報道的BGSe-OPO最高斜效率提高了59%。高轉(zhuǎn)換效率、寬波長調(diào)諧有望拓展中紅外光參量振蕩激光器的應(yīng)用。
OPO實際輸出波長-角度調(diào)諧曲線和理論調(diào)諧曲線對比圖
該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院創(chuàng)新基金以及安徽省自然科學基金的支持。
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原文標題:合肥研究院在高轉(zhuǎn)換效率、寬調(diào)諧中紅外光參量研究中獲進展
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