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中国科学院理化技术研究所:RG-OPO创新技术突破超短脉冲OPO能量瓶颈

2018-06-22

近期,中科院理化所激光中心皮秒激光研究团队开创性地提出了一种新型高能量皮秒光参量振荡技术,突破了超短脉冲光学参量震荡(OPO)能量提升的难题,提出再生放大——光参量振荡(RG-OPO)的新思路,得以在长度仅为1.5 m的OPO腔中实现最大脉冲能量30.5 μJ、重频10 kHz、波长1.53 μm、脉宽7 ps 的OPO信号光脉冲输出,将国际上皮秒或者飞秒OPO输出的最高单脉冲能量一举提升了20倍。

高能量红外超短脉冲激光在很多领域具有重要的应用,如阿秒光学、激光与材料相互作用以及激光遥感等。在阿秒光学中,高能量红外皮秒或飞秒超短脉冲激光可用作产生高次谐波(HHG)的抽运源;采用高能量红外超短脉冲激光直写可制作出各种功能的光学器件。OPO方法具有无需种子激光、光束质量好、线宽窄、宽调谐、转换效率高等优点,是获得高能量红外超短脉冲激光的重要方法,在某些重要的波段,如3~5 μm,8~12 μm等大气透过窗口,OPO往往是获得高能量皮秒脉冲的最有效途径。

在传统的同步抽运超短脉冲OPO设计中,OPO腔长要与基频抽运脉冲的重复频率相匹配,从而满足同步抽运条件,即脉冲重复频率越低,所需要的OPO腔长越长。为了获得更大的脉冲能量输出,甚至需要采用数十米长的OPO腔,才能在较低重频下工作。这种设计不仅结构非常复杂,而且获得的脉冲能量有限。之前国际上报道的皮秒或者飞秒OPO实现的最大脉冲能量仅为1.5 μJ左右,长期以来停滞不前。


图1 高能量皮秒光参量振荡光路示意图

图1是高能量皮秒光参量振荡光路示意图,下半部分(part 1)为基频光脉冲注入锁定放大部分,大能量的基频皮秒脉冲注入锁定到再生腔内从而可以在腔内循环。上半部分(part 2)为皮秒OPO及脉冲倒出部分,在大能量基频皮秒脉冲的往复抽运下,OPO腔内产生大能量的皮秒参量光脉冲,在脉冲能量达到最大值时通过Q开关将其倒出。该装置全部光路长度仅为米级,非常紧凑,而根据传统设计,同样的重复频率下OPO的腔长须长达15 km,显然是不现实的。


图2 基频皮秒脉冲与OPO信号光脉冲能量随抽运功率的变化

基频皮秒脉冲与OPO信号光脉冲能量随抽运功率的变化如图2所示,在基频皮秒脉冲能量达到170 μJ的情况下,OPO信号光能量达到最高的30.5 μJ。图3所示为OPO腔内信号光脉冲演化过程以及由Q开关倒出的重频为10 kHz的OPO信号光脉冲序列。


图3 OPO腔内信号光脉冲演化与信号光输出脉冲序列

该研究成果在国际上率先开启了超短脉冲OPO能量进入数十μJ的大门,并有潜力在未来提高3个量级至数mJ级,解决了长期以来超短脉冲OPO脉冲能量止步于μJ量级的国际难题。该技术不仅适用于皮秒OPO,同样也适用于飞秒OPO,只要采取合适的措施来控制腔内的色散以及非线性效应。

相关成果以30.5-μJ, 10-kHz, picosecond optical parametric oscillator pumped synchronously and intracavity by a regenerative amplifier为题发表在八马彩票网网址上。研究团队首席科学家为许祖彦院士,团队负责人为彭钦军研究员,皮秒激光研究方向负责人为刘可博士。该结果一经发表,引起了国际著名激光行业杂志laser focus world的关注,入选2018 年第2期Newsbreaks。该工作得到了中科院创新基金(CXJJ-16S059)的资助。

论文链接: https://doi.org/10.1364/OL.43.000539



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