中红外实现飞秒激光脉冲波长覆盖6.816.4μm波段

　　扩展激光波长范围是光谱学的重要内容之一，得益于超快光学的快速发展，目前人们已产生了振荡频率覆盖从太赫兹、红外、可见、极紫外乃至X射线的相干辐射，极大地推进了光科学挑战极限的能力。特别是近年来在阿秒脉冲激光、光学频率梳、超强物理等研究中，红外飞秒激光作为取得新突破的基础和关键，引起了人们越来越广泛的重视。实际上，中红外相干光源在自然科学与生命科学均有着广泛的应用，如国家安全、环境检测、医学诊断、分子振动动力学的时域相干控制等。目前中红外激光大多都是基于近红外超快激光驱动的光参量下转换技术而实现的，由于该技术所用非线性介质的吸收波长限制，特别是近红外泵浦激光有限的可输出功率及低的重复频率，迄今人们所能得到的中红外激光不仅鲜有长于5μm的波长，而且平均功率也仅数毫瓦，高功率的中红外激光仅能从大型同步辐射光源产生。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）研究员魏志义领导的L07组一直致力于超快激光的研究，并于2011年建成当时国际上最高峰值功率的台面飞秒PW激光装置，2012年首次在国内实现阿秒激光脉冲，2013年与陈小龙研究组合作首次用SiC晶体获得4μm波长的飞秒激光。然而这些激光前沿结果都是基于钛宝石激光系统而实现的，不仅造价昂贵，运行复杂，而且重复频率低(单次或1kHz)，对应平均功率极其有限，为此他们近年来系统开展了二极管激光直接泵浦的全固态飞秒激光研究。在魏志义的指导下，该组的博士研究生张金伟等人于2013年首次实现了全固态Yb:YGG激光的克尔透镜锁模运转，得到了重复频率160MHz、脉宽88fs的近红外激光输出（Opt Express, Vol.21, 29867 -29873）。此后又在基金委重大国际合作项目的支持下，通过与德国马普量子光学研究所（MPQ）合作，利用二极管激光泵浦的薄片Yb:YAG激光成功实现了重复频率从100MHz到260MHz、平均功率从75W到90W的飞秒克尔透镜锁模，成为国际上该类研究获得的最高重复频率（Optics Letters, Vol.40, 1627 -1630）。

　　最近，该研究组的张金伟、魏志义进一步与德国及西班牙等国的科学家合作，利用上述100MHz重复频率的高平均功率薄片飞秒Yb:YAG激光作为驱动激光、LGS作为非线性差频晶体，成功产生了平均功率0.1W、脉冲宽度66fs、波长覆盖6.8-16.4μm波段的中红外飞秒激光，第一次从该波段得到了高平均功率、高重复频率的相干辐射。图1为实验光路图，由薄片Yb:YAG锁模激光输出的1030nm近红外高功率飞秒压缩脉冲经光楔分光后，作为主光束的透射光经斩波器入射到LGS晶体产生中红外差频激光，表面反射的小部分光作为探针光。采用5mm厚的Ge滤光片将经离轴抛物镜反射准直的中红外激光与经延时线的近红外激光合束后，进行脉宽及其他参数的诊断测量，该滤光片对中红外激光透射，而对1030nm的近红外激光全反。图1中a为近红外激光的空间分布图，b为中红外激光的空间分布与功率测量示意图，c为电光取样（EOS）测量系统。通过探测中红外激光电场调制30μm厚GaSe晶体的双折射引起的偏振态变化与探针光之间的延时关系并结合斩波器锁相放大系统，他们得到该激光的脉宽及光谱相位信息如图2所示，其中a为测量及反演后的中红外激光振荡电场分布，b为傅里叶变换EOS信号后的功率谱密度，c为光谱相位。对应11.5μm的载波波长，其脉冲振荡不到1.7个光周期，结合其重复频率及测量到的平均功率，所对应的亮度达4.9×1019光子数/（每秒·平方毫米·立方弧度·0.1%带宽）。该结果不仅比目前这一波段最新光学频率梳的单个梳齿平均功率高2-3个量级，而且在11.5 μm波长处的亮度比第三代同步辐射这样的大型装置高出数个量级，对于未来光学频率梳、THz技术、中红外光谱学、非线性显微成像及超快科学等研究的发展，具有积极的意义。

　　该结果于9月21日在线发表在最新一期的Nature Photonics上，工作得到国家自然科学基金重大国际合作项目和中科院的支持。

图1. 实验系统光路图

图2. EOS测量及反演结果