據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院合肥物質科學研究院醫學物理與技術中心醫用激光技術研究室研究員江海河課題組在高轉換效率、寬調諧脈沖中紅外參量振蕩激光技術方面取得新進展，相關研究成果以“High-conversion-efficiency tunable mid-infrared BaGa₄Se₇ optical parametric oscillator pumped by a 2.79-μm laser”為題發表于美國光學學會期刊Optics Letters上。

實驗裝置示意圖

中紅外3~12 μm波段激光在大氣探測、醫療、科研以及軍事等諸多領域有著廣泛的應用而受到人們的廣泛關注。光學參量振蕩器（OPO）具有全固化、窄線寬、結構緊湊、轉換效率高、波長可調諧等優點，被認為是制備寬調諧中紅外激光器最理想的方法之一。光學參量振蕩是一種非線性強光效應，其中非線性光學晶體和泵浦源是兩個核心器件。但是，由于缺乏同時具有高透光范圍、高損傷閾值、高非線性系數的光學晶體，限制了光參量振蕩中紅外激光波長調諧范圍和脈沖能量輸出；同時，缺乏高光束質量、高峰值功率的中紅外泵浦源，而現有成熟泵浦源主要是1 μm和2 μm的近紅外激光器，在通過光參量振蕩轉換為中紅外激光尤其是5 μm以上波長激光時，近紅外泵浦光λ1由于遠離參量激光λ2而存在著大的量子虧損（η = λ1/λ2），降低了光參量振蕩中紅外激光轉換效率、輸出能量和光束質量。非線性光學晶體和泵浦源已成為中紅外激光技術發展的瓶頸，阻礙了光參量振蕩中紅外激光的應用。

OPO輸出能量曲線和效率曲線

針對上述存在的問題，該課題組研究人員與中科院理化技術研究所吳以成團隊研究員姚吉勇合作，使用自主發明生長的新型非線性晶體BaGa₄Se₇，其透光范圍為0.47 ~ 18 μm，并且在1 ~ 12 μm 范圍內具有高的透過率，損傷閾值達到557 MW/cm²，最大非線性系數為24.3 pm/V，是目前最有潛力獲得寬調諧、高能量的光參量振蕩中紅外非線性光學晶體。在泵浦源方面，自主研制了波長較長的中紅外激光器，降低了泵浦光與參量光之間的量子虧損。在前期工作基礎上，進一步優化了2.79 μm Cr,Er:YSGG激光器諧振腔設計，采用振蕩級 + 放大級結構獲得了高重復頻率2.79 μm納秒脈沖激光輸出，并通過光束整形獲得了OPO所需的高光束質量、高峰值功率密度的泵浦激光。設計了返回式泵浦的雙通泵浦結構的參量振蕩器，使OPO在來回振蕩過程中都發生參量轉換，從而增大轉換效率并抑制了參量光到泵浦光的逆轉換，有利于獲得較大能量的脈沖輸出。最終2.79 μm泵浦的BGSe-OPO獲得了工作頻率10 Hz、3.94 μm ~ 9.55 μm的可調諧參量光輸出，最大脈沖能量3.5 mJ、脈沖寬度21 ns、光束質量因子M_2x = 5.0，M_2y = 4.6，其對應的光轉換效率為18.9%、斜效率高達31.6%，該斜效率比之前報道的BGSe-OPO最高斜效率提高了59%。高轉換效率、寬波長調諧有望拓展中紅外光參量振蕩激光器的應用。

OPO實際輸出波長-角度調諧曲線和理論調諧曲線對比圖

該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院創新基金以及安徽省自然科學基金的支持。