3-5 μm超快光参量振荡器群速度匹配及调控技术的研究

Optical-Parametric-Oscillation (OPO) is so far a significant means of generating mid-infrared ultra-short laser sources and optical frequency combs. This project plans to adopt the quasi-phase-matching technology which meets the type-I or type-II phase matching condition. Via appropriate temperature control of the periodically poled crystal, utilizing the relationship between temperature and dispersion, the group velocities of pump, signal and idler can be tailed purposefully to some extent and the Group Velocity Mismatch (GVM) between different interaction waves to be completely removed so that the subsequently induced conversion efficiency limited and gain-bandwidth narrowing problems will be solved essentially. In mid-infrared OPOs, the GVM would be increasingly obvious due to the considerably distinct between the near- and mid-infrared wavelengths. Specifically, with the typical mid-infrared wavelength between 3-5 μm as the major object of the research, the physical mechanism and technological ways of realizing mid-infrared OPO in group-velocity-matching will be explored and implemented. With the relevant theoretical design and experimental verification completed, master the basic laws and control methods where its space-time characteristics and spectrum characteristics change over operating parameters. On this basis, exploration of the potential applications of proposed technical scheme combining the apodized aperiodically MgO:LiNbO3 (APPLN) will be implemented. Forming the practical technology applied to the mid-infrared optical parametric process.

光参量振荡（OPO）是产生中红外超短脉冲激光，特别是中红外“光频梳”的较为有效的方法。本申请项目拟采用满足I类（或II类）相位匹配的准相位匹配技术，利用群速度与温度间的色散关系，通过控制周期极化晶体的工作温度，调控信号光、闲频光以及泵浦光三者间的群速度关系，甚至完全消除不同作用光之间的群速度失配（GVM），从根本上解决中红外飞秒OPO中由于近红外与中红外波长的高度不简并而更加突出的GVM，以及由此造成的转换效率受限、增益带宽窄化等问题。具体的，以3-5 μm的典型中红外波长为主要研究对象，探索实现“群速度匹配”中红外飞秒OPO的物理机制和技术途径，完成相关的理论设计和实验验证，掌握其时空特性、频谱特性随运转参数变化的基本规律和控制方法，在此基础上，开展将上述技术方案与多周期极化晶体（APPLN）相结合的探索研究。形成适用于中红外光参量过程的实用技术。

中红外波段介于近红外波段与太赫兹（THz）波段之间，是非常重要的电磁辐射波段。借助光参量放大或者光参量振荡等非线性频率转换技术将发展相对成熟的高功率近红外飞秒激光转换至中红外波段，是目前产生中红外超短脉冲激光的主要方式。本项目针对现有中红外飞秒光参量振荡器（OPO）中由于中红外信号光与近红外泵浦光波长的高度非兼并而愈加突出的群速度失配（GVM）问题，研究了不同激光源在非线性材料中传播速度的调控机制，提出并论证能够使相互作用的信号光、闲频光与泵浦光满足群速度匹配的技术方案。在此基础上，利用带啁啾结构的准相位匹配晶体，实现对中红外飞秒OPO输出频谱的优化、调控；基于所述群速度调控技术，展示了一种“类简并”的双波长飞秒光参量振荡器，能够同时获得宽光谱、无时空畸变的双波长超短脉冲激光。.在完成项目拟定研究目标的基础上，在高功率中红外激光技术方向，还开展了以下研究工作：.针对中红外光纤激光器中的技术难题，以2-3 μm 附近的典型中红外光纤激光器为主要研究对象，建立并实验验证了可较为准确预测中红外光纤激光器/激光放大器运行状态的物理模型及仿真程序；开展了对中红外光纤激光器及激光放大器工作过程中的复杂能级跃迁以及激光辐射动力学研究；在此基础上，以层状结构的二硫化钼（MoS2）为可饱和吸收体，获得了高功率的~3 μm脉冲激光输出。.为了能够获得更高峰值功率的中红外脉冲激光，实验验证了中红外啁啾脉冲放大系统中展宽/压缩器的波长差异对脉宽的影响；从提高转换效率，和优化增益带宽两方面入手，探索新的可行技术方案。其中包括，设计了一种“三明治”结构的周期性极化晶体，可抑制OPA过程中的能量回流，理论上可以实现100%的量子转换；以及，对泵浦光/信号光引入反向的空间啁啾，再以扇形PPLN为非线性晶体，在单级OPA中同时实现宽带中红外脉冲激光的产生与有效放大。.本项目为中红外超快激光的产生、放大提供了有相当应用潜力的技术途径。