《光学学报（网络版）》第2卷第20期封面文章：兆瓦级峰值功率的高重复频率中红外光学参量产生研究

封面展示了基于单色高峰值功率、皮秒激光泵浦大尺寸MgO: PPLN晶体的非线性光学参量产生系统。与传统紧聚焦泵浦不同，该系统采用弱发散、大腰斑的泵浦光束整形技术，既增大了非线性相互作用的有效体积，又避免了高强度光束在晶体中引发的热透镜、克尔自聚焦等效应。最终实现了在100 kHz-4 MHz高重复频率下的数瓦平均功率、兆瓦峰值功率3μm中红外参量激光输出，单通、单晶体参量转换效率高达约50%。

文章来源：熊贤伟, 赵俊清, 莫立强, 叶健斌, 赖庆佳, 陈业旺, 欧阳德钦, 刘敏秋, 刘星, 吴旭, 阮双琛. 兆瓦级峰值功率的高重复频率中红外光学参量产生研究（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2025, 2(20): 2006001. 

在激光外科手术领域，波长3 μm 的中红外激光被视为“黄金波段”。这主要源于生物组织中水分子含量极高，而水分子对该波长的激光具有强烈共振吸收特性，可实现高效、精准的切削。相比其他脉宽，皮秒级脉冲不仅能有效减少光热效应带来的烧蚀损伤，还能避免飞秒激光易产生的电离效应和有害自由基，因此是激光手术的理想光源。

目前，利用光参量产生（OPG）、光参量放大（OPA）、差频产生（DFG）、光参量振荡（ OPO）等非线性频率转换技术，是获得高功率、中红外皮秒激光的主要途径。其中，基于MgO: PPLN 晶体的光参量产生系统因结构简单、稳定性高、成本低而备受青睐。然而，受限于单通光参量产生结构的低转换效率以及光折变效应和热负载导致的晶体损伤，传统MgO: PPLN光参量产生的皮秒中红外系统难以在“高平均功率”和“高单脉冲能量”之间取得平衡。

为突破这一瓶颈，深圳技术大学阮双琛教授团队提出并验证了一种新型泵浦光束整形方案，光参量产生系统实验装置见图1。该系统采用高峰值功率、窄光谱、低群速度失配（GVM）的皮秒脉冲作为泵浦源、长MgO: PPLN晶体作为参量转换介质，使该光参量产生系统兼具单程高增益（增益因子~33.6）和高转换效率；对泵浦基频光束进行光束整形，实现弱发散泵浦方式，显著提升了非线性晶体的功率承受能力，从而同时实现高增益与高功率输出。

图1 光参量产生系统实验装置

图2 泵浦光束直径的纵向演化情形

为了实现最佳的参量转换效率同时避免晶体中水吸收可能导致的晶体损伤，研究人员选择在晶体温度120 ℃、极化周期31 μm的条件下进行测试，测得输出的信号光和闲频光的中心波长分别为1657.8 nm和3003.6 nm，对应的光谱带宽为46 nm和57.7 nm，它们的脉冲宽度分别为6.2 ps和6.7 ps，均略短于泵浦光的脉冲宽度8.2 ps，如图3（a）和（b）所示。当重复频率为4 MHz、泵浦功率为32.34 W时，信号光最大输出功率为9.93 W，对应的单脉冲能量为2.48 μJ，峰值功率为400.40 kW，转换效率为30.70%，同时，闲频光的输出功率为5.31W，对应的单脉冲能量为1.33 μJ，峰值功率为198.13 kW，转换效率为16.42%。此时光参量产生光源的总参量输出功率高达15.24 W，转换效率达到47.12%，如图3（c）所示。当重复频率为100 kHz、泵浦功率达到5.38W时，信号光和闲频光的最大输出功率分别为1.40 W和0.80 W，对应的单脉冲能量为14 μJ和8 μJ，峰值功率分别高达2.26 MW和1.19 MW，最高光光转换效率达49.76%，如图3（d）所示。

图3（a）信号光与（b）闲频光的输出光谱和自相关轨迹；重复频率分别为（c）4 MHz和（d）100 kHz条件下的输出功率

实验中在4 MHz重复频率、4 W中红外功率输出条件下，进行了20 min的稳定性测试。结果显示，该光参量产生光源具有出色的功率稳定性，信号光与闲频光的功率波动方均根误差（RMSE）分别为0.27%和0.29%，如图4所示。

图4 （a）最高功率运行时的OPG系统；(b) 信号光 和 (c) 闲频光的输出功率稳定性

综上所述，本研究研制了一种基于单块MgO: PPLN晶体的皮秒中红外光参量产生系统，通过创新性地将泵浦光束整形为弱发散特征，显著提升了晶体的功率承载能力，从而实现了参量转换功率的大幅度提升。系统总参量输出平均功率超过15 W，近红外信号光和中红外闲频光的峰值功率均突破MW水平。此外，由于该光参量产生系统表现出优异的功率稳定性，RMSE均小于0.3%。该中红外参量转换光源在外科手术、气体检测、工业加工以及前沿物理等应用中有着巨大应用潜力。

转自：中国激光杂志社微信公众号（https://mp.weixin.qq.com/s/RLCgvusyDduGlDXiD2M-Cw）