中紅外超快激光系統(tǒng)研究進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，在中紅外超快激光研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Terawatt-level 2.4-μm pulses based on Cr:ZnS chirped pulse amplification”為題發(fā)表在Optica上。

Cr:ZnS/ZnSe材料在2.4μm波段具有約800nm的寬帶發(fā)射截面，是中紅外理想的寬帶放大晶體，被認(rèn)為是“中紅外的鈦寶石”。但基于Cr:ZnS/ZnSe材料實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出，存在一系列困難，如缺少相應(yīng)的（1.6μm）大能量泵浦源，高發(fā)射截面和非均勻摻雜引起的強(qiáng)橫向寄生振蕩等。

研究人員通過(guò)基于KTP晶體的OPO技術(shù)建立了1.6μm大能量泵浦源；通過(guò)多塊Cr:ZnS晶體組合，克服了泵浦光吸收飽和的問(wèn)題，并通過(guò)墨水包邊技術(shù)有效抑制了放大過(guò)程中橫向技術(shù)振蕩，獲得大于200mJ的放大輸出；通過(guò)調(diào)諧種子波長(zhǎng)，補(bǔ)償光譜紅移和增益窄化，實(shí)現(xiàn)寬帶放大；最終獲得2.4μm的TW量級(jí)峰值功率輸出。利用該激光器輸出激光在空氣中成絲，可以觀(guān)察到11級(jí)次諧波（220nm）產(chǎn)生，其中三次諧波產(chǎn)生的效率高達(dá)1%。未來(lái)將以此為平臺(tái)，開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用研究，同時(shí)進(jìn)一步提升激光的重頻和峰值功率。

圖1. 中紅外TW激光系統(tǒng)

圖2. (a) 主放大器抽取能量(黑色方點(diǎn))和抽取效率(黑色方點(diǎn)); (b)放大脈沖能量穩(wěn)定性. 插圖：放大脈沖近場(chǎng)光斑。

圖3. 壓縮脈沖FROG測(cè)量 (a), (b)測(cè)量和反演Trace圖；(c)測(cè)量 (紅色) 和反演 (黑色) 光譜,以及反演光譜相位(藍(lán)色)； (d)反演脈沖(黑色)和Fourier變換極限脈沖(紅色)。

圖4. 空氣成絲產(chǎn)生諧波實(shí)驗(yàn) 插圖: (a)成絲照片；(b)成絲后光斑照片； (c)棱鏡后諧波照片。

圖5. 3次諧波產(chǎn)生效率

研究工作得到了重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃的支持。

審核編輯：湯梓紅