Yb激光直接泵浦的5~10 μm中红外飞秒光参量振荡器研究

The mid-infrared (IR) femtosecond laser in the range of 5~10 μm has extensive application in the fields of spectroscopy, surgery, material characterization and attosecond science. At present, the commonly used difference frequency technique usually needs two-stage nonlinear frequency conversion, which inevitably leads to complex system structure, low conversion efficiency and poor stability. As a result, we propose to directly generate 5 ~ 10 μm mid-infrared femtosecond laser by single-stage frequency conversion. This proposal focuses on the theoretical and experimental study of Yb laser directly pumped mid-IR femtosecond optical parametric oscillator (OPO) based on LiInSe2 (LISe) crystal. Using a high-power Yb:KGW laser as the pump source, broadband tunable mid-infrared femtosecond pulses in the range of 5 ~10 μm with the average power of 100 mW and the pulse duration of 100 fs will be obtained by employing both angle tuning and cavity length tuning. Then the differential frequency cross-correlation technology will be used to diagnose the time-domain characteristics of the mid-IR femtosecond laser and the effect of crystal thermal accumulation on the output characteristics will be explored. The successful implementation of this project can not only obtain 5 ~ 10 μm tunable mid-IR coherent ultrafast laser, but also will provide an important scientific and technological basis for the study of mid-infrared optical frequency combs or the generation of high power tunable mid-infrared femtosecond lasers.

5~10 μm中红外飞秒激光在光谱学研究、外科手术、材料表征以及阿秒科学等领域具有广泛的应用。本项目针对目前差频技术需要两级非线性频率变换，而存在系统复杂、转换效率低和稳定性差等缺点，拟通过一级频率变换直接产生5~10 μm中红外飞秒激光。本项目拟利用LiInSe2（LISe）晶体开展Yb激光直接泵浦中红外飞秒光参量振荡器（OPO）的理论与实验研究。利用高功率的Yb:KGW激光器作为泵浦源，结合腔长调谐和角度调谐两种手段，获得平均功率~100 mW，脉冲宽度~100 fs，中心波长在5~10 μm范围可连续调谐的中红外飞秒激光输出。然后采用差频互相关技术对中红外飞秒激光的时域特性进行诊断，并探索晶体热累积对输出特性的影响。本项目的成功实施不仅可以获得5~10 μm可调谐中红外相干超快激光，而且将为研究中红外光学频率梳或产生高功率可调谐中红外飞秒激光提供重要的科学技术基础。

中红外飞秒激光在光谱学研究、外科手术、材料表征以及阿秒科学等领域具有广泛的应用。利用非线性频率变换的方法，包括光参量振荡器（OPO）和差频（DFG）技术，选择合适的非线性晶体以及相位匹配条件，可以将近红外波段的飞秒激光变换到中红外波段，是产生宽带连续可调谐中红外飞秒激光最有效的手段。然而根据曼利-罗关系，从近红外（800 nm 或1030 nm）到中红外的转换效率很低，因此对高平均功率窄脉冲宽度的近红外飞秒泵浦源提出了需求。本项目主要开展的研究内容包括：1）发展了一种特殊的双聚焦谐振腔结构，克服了传统克尔透镜锁模中激光晶体需同时作为增益介质和克尔介质的两难。利用LD直接泵浦，我们在Yb:CYA激光器中得到了最大平均功率超快10 W，脉冲宽度为98 fs的锁模输出。据我们所知，这是目前已报道的输出功率最高的克尔透镜锁模块状材料振荡器，为中红外OPO建立了优秀的泵浦光源，将在超连续产生、中红外激光产生等领域发挥重要应用。2）基于PPLN晶体，开展了简并OPO的实验研究，获得了宽带2 μm波段超快激光输出，以及1.4~1.7 μm和2.6 ~3.8 μm 范围连续可调谐输出。3）基于KTP晶体，开展了大能量纳秒中红外可调谐OPO研究，实现了2.4~2.8 μm 可调谐的中红外激光输出，最大单脉冲能量为12.6 mJ，光光转换效率为8.1%。4）开展了基于LISe晶体的中红外飞秒OPO，研究了晶体表面镀膜的损伤阈值情况。5）针对基于LISe晶体腔外差频产生中红外飞秒激光进行了数值模拟。在7 W，98 fs的泵浦光功率下，信号光分别为23 mW / 1.17 μm和40 mW / 1.32 μm时，最大可以获得3 nJ / 5 μm、2.5 nJ / 10 μm的闲频光。6）基于差频手段开展了高效多周期太赫兹脉冲产生研究。首次利用PPKTP晶体实现了多周期太赫兹脉冲产生，相应的光光转换效率为0.16%。