光參量技術(shù)可拓展激光波長？

　　武漢華日精密激光股份有限公司

　　由于激光工作物質(zhì)都具有某些特征頻率的原因，通常情況下，一種激光器只能產(chǎn)生一個或者幾個固定波長的激光輸出，這個特性限制了激光在許多現(xiàn)代社會生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對激光的要求也越來越高，尤其是希望激光器的輸出波長可在一定波長范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)節(jié)，這種激光器可統(tǒng)稱為可調(diào)諧激光器。

　　1991年，利用克爾透鏡鎖模，摻鈦藍寶石激光器第一次實現(xiàn)了60 fs的脈沖輸出，為近紅外光譜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波長連續(xù)可調(diào)脈沖輸出提供了可能性。自此，鈦寶石激光器成為700-1000 nm范圍內(nèi)主要的超快脈沖相干光源。

　　近年來，隨著寬帶可調(diào)諧、高相干的超快皮秒和飛秒光源在激光測距^[1]、生物醫(yī)學(xué)成像^[2]以及納米技術(shù)^[3]等領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，科研和社會生產(chǎn)迫切需要在更多的光譜區(qū)域獲得可調(diào)諧激光輸出。

       由于受到激光工作物質(zhì)能級結(jié)構(gòu)或發(fā)射機制的限制，大部分激光器產(chǎn)生的激光，要么可調(diào)諧范圍較窄，要么就是可連續(xù)調(diào)諧激光的輸出功率不夠高。因此超短脈沖激光技術(shù)向新的光譜區(qū)域的拓展遇到了一個持久的瓶頸。長期的科學(xué)實踐證明，基于非線性光學(xué)的頻率變換技術(shù)是拓寬激光光譜輸出的另一個非常有效的手段。

       與激光器不同，非線性光學(xué)技術(shù)可以通過選擇合適的激光泵浦源和非線性材料參數(shù)，提供所有時間尺度，從連續(xù)波 (CW) 到皮秒和飛秒的相干光源。圖1展示了西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）光參量振蕩器課題組研發(fā)的不同時域光參量振蕩器已經(jīng)實現(xiàn)的可調(diào)諧范圍。

圖1 西班牙光子科學(xué)研究所 OPO 課題組研發(fā)的不同時域光參量振蕩器

       特別是，同步泵浦光參量振蕩器 (SPOPO) 結(jié)構(gòu)為產(chǎn)生穩(wěn)定的、高平均功率的近紅外到中紅外激光區(qū)域提供了最可行的方法。同時，隨著光纖激光技術(shù)的快速進步，出現(xiàn)了高平均功率的皮秒和飛秒鎖模光纖激光器，使其成為推進非線性頻率變換技術(shù)發(fā)展的理想泵浦源。

       雖然基于鈦寶石激光器作為泵浦源的皮秒和飛秒SPOPO在過去得到了廣泛開發(fā)，但泵浦激光器技術(shù)向鎖模光纖激光器的過渡提供了重要的實際優(yōu)勢。其中包括更簡化的設(shè)計、更緊湊的尺寸、更低的成本、以及更高的可靠性和穩(wěn)定性，提高了光參量振蕩器（OPOs）對環(huán)境的抗干擾性，以及實用性和便捷性，從而為實現(xiàn)高效緊湊可調(diào)諧OPOs的設(shè)計提供了可能。

       圖2所示為西班牙光子科學(xué)研究所光參量振蕩器課題組在過去幾年開發(fā)的可調(diào)諧激光器光譜覆蓋范圍，其泵浦源為1 μm光纖激光器，其中部分裝置已經(jīng)實現(xiàn)了工程化及產(chǎn)業(yè)化。

圖2 西班牙光子科學(xué)研究所研究的各種基于 1 μm 光纖激光器頻率變換光源原理圖

       該課題組基于1064 nm激光開發(fā)的高功率SPOPO，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率，瓦級平均功率輸出，并且在1.4-8 μm近紅外到中紅外光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了廣泛的波長可調(diào)性。通過部署基于諧波生成和混合額外非線性上轉(zhuǎn)化方案，進一步將這種SPOPO的調(diào)諧范圍擴展到可見光和紫外光譜區(qū)域。

       使用這些技術(shù)，能夠在近紅外和中紅外區(qū)域產(chǎn)生高達11.7 W的平均功率，3.5 W可見光和近紅外光，5.4 W綠光，以及30 mW可調(diào)諧紫外光，脈沖重復(fù)頻率為~81 MHz^[4]，其具有出色的光學(xué)輸出特性，兼具進一步功率提升的潛力，在許多應(yīng)用中具有重要的實用價值。