中红外超快激光系统研究进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与中国科学院强激光材料重点实验室合作，在中红外超快激光研究方面取得进展。相关研究成果以“Terawatt-level 2.4-µm pulses based on Cr:ZnS chirped pulse amplification”为题发表在Optica上。

Cr:ZnS/ZnSe材料在2.4μm波段具有约800nm的宽带发射截面，是中红外理想的宽带放大晶体，被认为是“中红外的钛宝石”。但基于Cr:ZnS/ZnSe材料实现高峰值功率输出，存在一系列困难，如缺少相应的（1.6μm）大能量泵浦源，高发射截面和非均匀掺杂引起的强横向寄生振荡等。

研究人员通过基于KTP晶体的OPO技术建立了1.6μm大能量泵浦源；通过多块Cr:ZnS晶体组合，克服了泵浦光吸收饱和的问题，并通过墨水包边技术有效抑制了放大过程中横向技术振荡，获得大于200mJ的放大输出；通过调谐种子波长，补偿光谱红移和增益窄化，实现宽带放大；最终获得2.4μm的TW量级峰值功率输出。利用该激光器输出激光在空气中成丝，可以观察到11级次谐波（220nm）产生，其中三次谐波产生的效率高达1%。未来将以此为平台，开展相关应用研究，同时进一步提升激光的重频和峰值功率。

图1. 中红外TW激光系统

图2. (a) 主放大器抽取能量(黑色方点)和抽取效率(黑色方点); (b)放大脉冲能量稳定性. 插图：放大脉冲近场光斑。

图3. 压缩脉冲FROG测量 (a), (b)测量和反演Trace图；(c)测量 (红色) 和反演 (黑色) 光谱,以及反演光谱相位(蓝色)； (d)反演脉冲(黑色)和Fourier变换极限脉冲(红色)。

图4. 空气成丝产生谐波实验 插图: (a)成丝照片；(b)成丝后光斑照片； (c)棱镜后谐波照片。

图5. 3次谐波产生效率

研究工作得到了重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划的支持。

审核编辑：汤梓红