光參量技術(shù)可拓展激光波長(cháng)？

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　　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(gè)或者幾個(gè)固定波長(cháng)的激光輸出，這個(gè)特性限制了激光在許多現代社會(huì )生產(chǎn)中的應用。隨著(zhù)現代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對激光的要求也越來(lái)越高，尤其是希望激光器的輸出波長(cháng)可在一定波長(cháng)范圍內連續可調節，這種激光器可統稱(chēng)為可調諧激光器。

　　1991年，利用克爾透鏡鎖模，摻鈦藍寶石激光器第一次實(shí)現了60 fs的脈沖輸出，為近紅外光譜區域實(shí)現波長(cháng)連續可調脈沖輸出提供了可能性。自此，鈦寶石激光器成為700-1000 nm范圍內主要的超快脈沖相干光源。

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

       由于受到激光工作物質(zhì)能級結構或發(fā)射機制的限制，大部分激光器產(chǎn)生的激光，要么可調諧范圍較窄，要么就是可連續調諧激光的輸出功率不夠高。因此超短脈沖激光技術(shù)向新的光譜區域的拓展遇到了一個(gè)持久的瓶頸。長(cháng)期的科學(xué)實(shí)踐證明，基于非線(xiàn)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(gè)非常有效的手段。

       與激光器不同，非線(xiàn)性光學(xué)技術(shù)可以通過(guò)選擇合適的激光泵浦源和非線(xiàn)性材料參數，提供所有時(shí)間尺度，從連續波 (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(shí)域光參量振蕩器已經(jīng)實(shí)現的可調諧范圍。

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

       特別是，同步泵浦光參量振蕩器 (SPOPO) 結構為產(chǎn)生穩定的、高平均功率的近紅外到中紅外激光區域提供了最可行的方法。同時(shí)，隨著(zhù)光纖激光技術(shù)的快速進(jìn)步，出現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(jìn)非線(xiàn)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(guò)去得到了廣泛開(kāi)發(fā)，但泵浦激光器技術(shù)向鎖模光纖激光器的過(guò)渡提供了重要的實(shí)際優(yōu)勢。其中包括更簡(jiǎn)化的設計、更緊湊的尺寸、更低的成本、以及更高的可靠性和穩定性，提高了光參量振蕩器（OPOs）對環(huán)境的抗干擾性，以及實(shí)用性和便捷性，從而為實(shí)現高效緊湊可調諧OPOs的設計提供了可能。

       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(guò)去幾年開(kāi)發(fā)的可調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(shí)現了工程化及產(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(kāi)發(fā)的高功率SPOPO，實(shí)現了高轉換效率，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實(shí)現了廣泛的波長(cháng)可調性。通過(guò)部署基于諧波生成和混合額外非線(xiàn)性上轉化方案，進(jìn)一步將這種SPOPO的調諧范圍擴展到可見(jiàn)光和紫外光譜區域。

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