高能量红外超短脉冲激光在很多领域具有重要的应用，如阿秒光学、激光与材料相互作用以及激光遥感等。在阿秒光学中，高能量红外皮秒或飞秒超短脉冲激光可用作产生高次谐波（HHG）的抽运源；采用高能量红外超短脉冲激光直写可制作出各种功能的光学器件。OPO方法具有无需种子激光、光束质量好、线宽窄、宽调谐、转换效率高等优点，是获得高能量红外超短脉冲激光的重要方法，在某些重要的波段，如3~5 μm，8~12 μm等大气透过窗口，OPO往往是获得高能量皮秒脉冲的最有效途径。

 

在传统的同步抽运超短脉冲OPO设计中，OPO腔长要与基频抽运脉冲的重复频率相匹配，从而满足同步抽运条件，即脉冲重复频率越低，所需要的OPO腔长越长。为了获得更大的脉冲能量输出，甚至需要采用数十米长的OPO腔，才能在较低重频下工作。这种设计不仅结构非常复杂，而且获得的脉冲能量有限。之前国际上报道的皮秒或者飞秒OPO实现的最大脉冲能量仅为1.5 μJ左右，长期以来停滞不前。

 

 

图1 高能量皮秒光参量振荡光路示意图

 

图1是高能量皮秒光参量振荡光路示意图，下半部分(part 1)为基频光脉冲注入锁定放大部分，大能量的基频皮秒脉冲注入锁定到再生腔内从而可以在腔内循环。上半部分(part 2)为皮秒OPO及脉冲倒出部分，在大能量基频皮秒脉冲的往复抽运下，OPO腔内产生大能量的皮秒参量光脉冲，在脉冲能量达到最大值时通过Q开关将其倒出。该装置全部光路长度仅为米级，非常紧凑，而根据传统设计，同样的重复频率下OPO的腔长须长达15 km，显然是不现实的。

 

图2  基频皮秒脉冲与OPO信号光脉冲能量随抽运功率的变化

 

基频皮秒脉冲与OPO信号光脉冲能量随抽运功率的变化如图2所示，在基频皮秒脉冲能量达到170 μJ的情况下，OPO信号光能量达到最高的30.5 μJ。图3所示为OPO腔内信号光脉冲演化过程以及由Q开关倒出的重频为10 kHz的OPO信号光脉冲序列。

 

图3 OPO腔内信号光脉冲演化与信号光输出脉冲序列

 

该研究成果在国际上率先开启了超短脉冲OPO能量进入数十μJ的大门，并有潜力在未来提高3个量级至数mJ级，解决了长期以来超短脉冲OPO脉冲能量止步于μJ量级的国际难题。该技术不仅适用于皮秒OPO，同样也适用于飞秒OPO，只要采取合适的措施来控制腔内的色散以及非线性效应。

 

相关成果以30.5-μJ, 10-kHz, picosecond optical parametric oscillator pumped synchronously and intracavity by a regenerative amplifier为题发表在Optics Letters  [ 43 （ 3 ）：539 , 2018] 上。研究团队首席科学家为许祖彦院士，团队负责人为彭钦军研究员，皮秒激光研究方向负责人为刘可博士。该结果一经发表，引起了国际著名激光行业杂志laser focus world的关注，入选2018 年第2期Newsbreaks。该工作得到了中科院创新基金（CXJJ-16S059）的资助。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OL.43.000539