圖1. 高重頻、高峰值功率長(zhǎng)波紅外激光脈沖產(chǎn)生和測(cè)量裝置

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋立偉和田野研究員團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)波紅外飛秒激光研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)研制出一套重復(fù)頻率高達(dá)50 kHz、峰值場(chǎng)強(qiáng)達(dá)14.8 MV/cm、波長(zhǎng)調(diào)諧范圍覆蓋8–12.5 μm的長(zhǎng)波紅外飛秒激光系統(tǒng)，并基于硅薄膜四波混頻原理解決了長(zhǎng)波紅外脈沖難以多維度表征的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光脈沖空間、時(shí)間、頻譜和相位等關(guān)鍵參數(shù)的精確測(cè)量。相關(guān)研究成果以“Generation and Spatio-Temporal Characterization of High-Repetition-Rate High-Peak Power Long-Wave Infrared Laser Pulses”為題，發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。

長(zhǎng)波紅外(LWIR，8-15 μm)激光在強(qiáng)場(chǎng)物理、紅外測(cè)量、超快動(dòng)力學(xué)調(diào)控等領(lǐng)域具有重要價(jià)值，如8–12.5 μm頻率范圍能精確匹配眾多分子的特征振動(dòng)指紋區(qū)，是紅外光譜學(xué)和選擇性激發(fā)的重要通道。然而，現(xiàn)有長(zhǎng)波紅外激光系統(tǒng)難以兼顧高重復(fù)頻率和高峰值強(qiáng)度。同時(shí)，由于該波段缺乏高靈敏度探測(cè)器件，對(duì)激光脈沖的空間分布與時(shí)域信息進(jìn)行精確測(cè)量始終是技術(shù)難點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)基于Yb:YAG激光器，結(jié)合多通腔脈沖壓縮、光參量放大和激光差頻技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了高重頻、高峰值功率、可調(diào)諧長(zhǎng)波紅外激光脈沖輸出。該光源在實(shí)現(xiàn)50 kHz高重復(fù)頻率的同時(shí)，于10 μm處獲得121 fs(3.6個(gè)光周期)的脈沖寬度和14.8 MV/cm的峰值場(chǎng)強(qiáng)，在長(zhǎng)波紅外波段實(shí)現(xiàn)了高重頻與強(qiáng)場(chǎng)協(xié)同輸出的關(guān)鍵技術(shù)突破;激光調(diào)諧范圍覆蓋8–12.5 μm，平均功率約12 mW。在脈沖表征方面，團(tuán)隊(duì)提出一種基于硅薄膜四波混頻的非線性光學(xué)成像方法，將長(zhǎng)波紅外激光頻率上轉(zhuǎn)換至可見(jiàn)-近紅外波段，利用硅基探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了以往難以直接測(cè)量的高精度診斷。結(jié)合二維光譜成像與互相關(guān)頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)(XFROG)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)121 fs脈沖寬度、對(duì)應(yīng)頻譜寬度及相位分布的精確重構(gòu)，測(cè)量精度達(dá)到少周期量級(jí)，為長(zhǎng)波紅外超快光源的時(shí)域與頻域特性提供了完整、可靠的定量表征手段。

圖2. 脈沖時(shí)空特性表征方案及結(jié)果

該成果為強(qiáng)場(chǎng)物理、超快化學(xué)、紅外光譜學(xué)等領(lǐng)域提供了一種兼具高性能與易用性的長(zhǎng)波紅外光源方案，有望推動(dòng)高重頻強(qiáng)場(chǎng)光源在動(dòng)態(tài)過(guò)程探測(cè)、材料調(diào)控等前沿科學(xué)中的重要應(yīng)用。

相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)青年基金(A類(lèi))、基金委集成項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等支持。

審核編輯 黃宇