数百微焦级皮秒再生光参量振荡技术研究

Picosecond infrared (IR) pulse coherent light from a synchronously pumped optical parametric oscillation (OPO) is one of the most important sources of highly coherent light, which has found many applications in high harmonic generation (HHG), waveguide writing and laser remote sensing. However, conventional designs of picosecond synchronously pumped OPOs produce low pulse energies that below 1.5 μJ. .Recently, we proposed a new approach named regenerative optical parametric oscillation (RG-OPO) to solve this difficult. The main idea was operating the ps OPO inside a regenerative amplifier (RA), making it possible to realize high pulse energy ps or fs OPO with an arbitrary PRR in a much more compact setup. In our early experiment, pulse energy as high as 30.5 μJ with the pulse width of 7.0 ps at 1.5 μm was produced, which was 20 times higher than previous highest pulse energy from picosecond OPOs. Through further deeply study, pulse energy as high as several hundreds μJ can also be produced to satisfy more requirements for higher energy picosecond IR coherent light in scientific experimentations. To realize this achievement, there are still many scientific problems and key technologies to be solved. Such as the establishment of the numerical model, the dynamic property of the pulse energy in the OPO, the damage risk of optical elements by high pulse energy. We plan to deeply study these scientific problem and key technology to realize high energy picosecond OPO with pulse energy of several hundreds μJ, which possess great scientific and application value.

同步泵浦皮秒光学参量振荡（OPO）是产生皮秒红外相干光的重要方法之一，在很多科学领域如高次谐波产生、材料处理以及激光遥感等具有重要应用。然而，在传统的皮秒OPO设计中，输出的脉冲能量很小，最大脉冲能量仅为1.5 μJ。最近我们提出了一种皮秒再生OPO方法解决了这个难题，可在紧凑的结构中实现高能量、重频可调的皮秒OPO输出。在先期验证实验中，我们已经获得最大脉冲能量30.5 μJ、脉宽7 ps、波长1.5 μm OPO输出，比国际最好结果脉冲能量提高了20 倍。开展深入研究，进一步可实现数百μJ级皮秒OPO输出，从而满足科学研究及应用对更大能量皮秒相干光源的需求。然而目前仍有很多科学问题以及关键技术待解决，如理论模型建立、脉冲动态性能研究、OPO腔内非线性效应影响以及光学器件损伤问题等。我们拟通过进一步研究解决这些科学问题，实现数百μJ的皮秒OPO输出，这将具备重要的科学价值与应用价值。

光参量振荡方法是实现皮秒中红外相干光源最重要的方法之一，这些光源在高次谐波产生、波导刻写以及激光遥感等领域有重要的应用。然而，传统的同步泵浦皮秒激光光参量振荡器很难产生脉冲能量大于1.5 μJ的脉冲。我们此前提出了一种再生腔内皮秒同步泵浦光参量振荡方法可以解决这个问题，有望实现脉冲能量数百μJ的皮秒光参量振荡脉冲输出。因此，我们拟通过本项目对这种皮秒光参量振荡器理论模型、高功率高效率变频关键问题进行研究，以实现高能量皮秒光参量振荡输出。通过该项目的支持，我们建立了这种新型光参量振荡器的数值模型,；研究了高功率皮秒激光再生放大器用来泵浦光参量振荡器；提出了一种新型的皮秒光参量变频方式，我们称之为虚拟腔皮秒光参量振荡，通过这种方式，可实现脉冲能量百微焦的光参量变频脉冲输出；还研究了波长和重频可调谐的皮秒光参量振荡器。.在这个项目中，我们提出了采用大基模体积的混合非稳腔板条增益介质来实现高功率皮秒基频激光输出，采用Nd:YVO4 板条晶体作为增益介质，成功实现了混合非稳腔再生放大输出，在10 kHz重频下实现最大输出功率10.5 W，单脉冲能量1.05 mJ。研究了波长和重频可调谐的人眼安全皮秒光参量振荡器，脉冲重复频率可以在kHz量级任意调节，采用角度匹配的KTA晶体作为非线性晶体，波长可在1501 nm和1565 nm之间调谐。综上所述，通过该项目的研究，我们在皮秒基频再生放大器和皮秒光参量振荡器方面均取得了新的重要结果，这些结果将在科学研究和应用方面具有重要的价值。