小型化超宽带光学参量啁啾脉冲放大系统的研究

光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术将是替代CPA技术而产生脉宽更短、峰值功率更高脉冲激光的最新技术．目前超短超强脉冲激光技术发展的方向是采用OPCPA技术建立高柬质、高效率、脉宽小于30fs的峰值功率大于TW的小型化台面超短超强脉冲激光系统．     

同步抽运源光学参量啁啾脉冲放大飞秒激光系统

啁啾脉冲放大(CPA)技术已被广泛应用在几太瓦(TW)至1000 TW的许多高功率激光系统中.光学参量放大器有着宽的放大带宽,能支持短至几飞秒激光脉冲的无光谱畸变放大.近年来,一种基于光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的飞秒激光系统,已被提出和成功演示.我们实验室正在建造几太瓦级的OPCPA激光系统,该系统要求一台纳秒级的激光装置作为OPCPA系统的抽运源.本文介绍我们已建成的台式高功率倍频Nd∶硅酸盐玻璃激光装置.其输出波长532 nm、脉宽0.5 ns、能量15 J,光束口径为40 mm. 这台Nd∶硅酸盐玻璃激光装置的种子源与OPCPA激光系统一样来自于同一台飞秒1064 nm激光振荡器,它是一台由13瓦的Ar离子激光抽运的自锁模掺钛蓝宝石激光器,产生120 fs、带宽10 nm的1064 nm脉冲列.脉冲列进入一个光栅展宽器,把激光脉冲宽度展宽到0.3 ns水平,然后分出一束作为OPCPA的种子源,另一束进入一台重复频率1 Hz的Nd∶硅酸盐玻璃再生放大器,将脉冲能量从0.5 nJ放大到几毫焦耳,脉冲宽度展宽到0.7 ns. 从再生放大器输出的激光脉冲进入Nd∶硅酸盐玻璃激光放大链进行放大,最后由KDP倍频晶体对输出的1064 nm激光倍频,获得0.5 ns、15 J的绿光.输出的绿光由光学系统导向光学参量放大器,给OPCPA系统的1064 nm的啁啾种子脉冲作同步抽运,同步精度可达数十飞秒量级.(PB6)     

光参量啁啾脉冲过饱和放大实现超短脉冲的频谱整形

光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)非线性过程是个可逆过程,信号光增大到最大值时抽运光能量已几乎被耗尽,随即进入过饱和放大阶段,能量会由信号光和闲频光重新回到抽运光中.提出了利用这一过程实现啁啾脉冲频谱整形的一种新方法.通过数值模拟说明了这种啁啾脉冲频谱整形方法的原理.计算结果也表明了通过改变抽运光强、调节相位匹配角、改变抽运脉冲波形能实现对脉冲频谱整形结果的有效控制,甚至可以通过选择适当的抽运光和信号光的同步关系,使放大后输出信号光有一定的频移,这一点可以用来抑制钛宝石饱和放大引起的光谱红移.     

啁啾脉冲光学参量振荡器及宽谱中红外激光的产生（特邀）

宽谱中红外激光光源在红外显微光谱学、环境监测、医疗诊断以及超短脉冲产生等领域有着广阔的应用前景和急迫的需求。聚焦同步泵浦光学参量振荡器（SPOPO）的输出光谱带宽,提出了一种能够有效消除泵浦脉冲宽度对于SPOPO宽谱输出性能的限制的运转模式,即啁啾脉冲光学参量振荡器（CPOPO）。提出并介绍了基于自相位调制（SPM）效应和采用啁啾准相位匹配（CQPM）晶体这两种CPOPO的具体技术方案。基于周期极化铌酸锂（PPLN）晶体成功实现了以宽谱啁啾脉冲运转的CPOPO,最终分别获得了覆盖2.9~4.1 μm （约30 THz）、功率为92 mW和2.9~5.0 μm （约44 THz）、功率为64 mW的宽谱中红外激光输出。     

拍瓦级光参量啁啾脉冲放大系统中光参量相位演化研究

在基于光参量啁啾脉冲放大的拍瓦级超短超强飞秒激光装置中,光参量相位是阻碍脉冲时域压缩的关键因素。对中国工程物理研究院的数拍瓦全光参量啁啾脉冲放大装置（SILEX-II）的光参量相位演化进行了详细研究。研究结果表明,通过光参量放大过程累积的群延迟色散高达532 fs2,三阶色散高达5782 fs3,在未补偿光参量相位的情况下,压缩脉冲的时域峰值强度仅为傅里叶变换极限脉冲的43%。通过调节压缩器光栅间距,补偿了光参量相位的群延迟色散,将压缩脉冲的时域峰值强度增加至傅里叶变换极限脉冲的94%。研究结果为SILEX-II激光装置的脉冲时域压缩提供了有效指导,同时也为未来基于全光参量啁啾脉冲放大技术的10～100 PW高峰值功率激光器的设计提供了依据。     

利用光参量啁啾脉冲放大进行任意光谱整形方案的稳定性分析

为了在光参量啁啾脉冲放大系统中获得百飞秒脉冲,需要对注入种子啁啾脉冲进行光谱整形来补偿增益窄化、增益饱和以及自相位调制。利用时域整形的抽运光在参量耦合过程中对注入超高斯啁啾种子光进行任意光谱整形是一种新型的光谱整形方法,与在参量作用之前对种子光的光谱整形进行对比,它不会引入光谱相位调制,而且光谱整形和能量放大可以同时进行,通过数值模拟可知两种方案对于注入抽运光和种子光的稳定性要求基本相同。为了保证参量作用后的信号光的能量抖动优于±5%,对于抽运光来说,其峰值光强变化必须控制在±1%以下,而对于输入的种子光光强可以控制在±3%以下。     

超短中红外激光脉冲的产生及其发展状况

超短中红外脉冲对研究物理、化学、生物学和半导体内的超快过程等有非常重要的作用。介绍了参量振荡、差频产生、参量放大产生超短中红外激光脉冲的方法,及国内外相关研究的最新进展。     

1030nm皮秒级光参量啁啾脉冲放大抽运源

利用低温工作状态下Yb∶YAG再生放大器,对1030nm光纤锁模激光器输出的250pJ的种子光进行放大。电光开关门宽控制种子光在放大器内20程往返,最大单脉冲能量为217μJ,输出频率10Hz,同时由于其增益窄化效应光谱宽度由8.9nm减小到0.3nm,相应的脉宽由18.0ps被压缩到5.5ps,这与理论模拟结果的0.4nm,4.2ps基本吻合。实验结果论证了采用窄增益带宽的再生放大器可以同时实现亚皮秒光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)对抽运脉冲宽度和光谱宽度的要求,避免使用光纤光栅对光谱滤波带来的高阶非线性效应。     

纳秒量级光参量放大技术研究进展

基于非线性频率变换技术的中红外固体激光器,受限于光学晶体的损伤阈值、镀膜工艺和逆转换效应,输出功率相对较低,而光参量放大技术可以有效改善这个问题。介绍了光参量放大技术的典型结构、特点以及常用光学晶体,评述了光参量放大技术提高纳秒量级中红外固体激光器输出功率的研究进展,分析了光参量放大技术在提高纳秒量级中红外固体激光器输出功率方面面临的挑战。     

2~5 μm中红外飞秒光学参量振荡器研究进展（特邀）

自1994年首次利用克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦RTA光学参量振荡器实现中红外飞秒激光输出以来,在这20多年的时间内,随着高功率近红外泵浦源与各种优质非线性晶体的不断涌现,中红外飞秒光学参量振荡器在平均功率、脉冲宽度、调谐范围等方面都取得了长足的发展,为基础科学研究、生物医疗以及国防安全等领域提供了多样化的应用工具。文中将2~5 μm中红外飞秒光学参量振荡器分为波长可调谐输出型与宽光谱输出型两类,分别重点就这两类中红外飞秒光学参量振荡器的国内外研究进展进行综述,最后对进一步发展趋势进行了展望。高功率、高光束质量中红外飞秒光学参量振荡器和大能量中红外飞秒光学参量振荡器是其中两个重要的发展方向。     

中红外飞秒双谐振光参量振荡器的腔长调谐（特邀）

超快双谐振光参量振荡器（DRO）在宽带中红外频率梳产生、中红外超短脉冲产生等领域有较大的应用前景。由于信号光与闲频光均在腔内振荡,DRO呈现出很多同单谐振光参量振荡器（SRO）所不同的工作特性。其中,在简并附近的腔长调谐特性是DRO中最具有代表性的特点。随着腔长的改变,DRO会在非简并、近似简并以及完全简并态之间切换状态。为具体分析腔长调谐对简并附近DRO工作状态的作用,文中基于数值仿真,对常用泵浦条件下,低色散飞秒泵浦DRO的腔长调谐特性进行了系统的研究与总结,并对相关特性的产生原因进行了理论分析。     

同步脉冲诱导的高功率中红外差频产生技术（特邀）

提出并实验探究了基于同步脉冲诱导的中红外差频产生技术,利用高速光电探测器将泵浦光脉冲转换为超短电信号,使其驱动宽带的幅度调制器,作用于可调谐连续激光器上,从而实现双色脉冲的稳定时域同步。利用了同步脉冲诱导的非线性差频过程,有效降低了光参量下转换的泵浦阈值,能够获得瓦量级的中红外超短脉冲输出,最大泵浦光转换效率达60%,且中心波长在3000~3175 nm范围内可调谐。得益于全保偏光纤架构,平均功率的不稳定度(STD/MEAN)在1 h内低至0.07%,展现了优异的长期稳定性。此外,该方案利用光-电-光高速调制实现高精度脉冲同步,免除了复杂的反馈电路,具有结构简单、即插即用、鲁棒性强的特点,为拓展中红外光源在野外的应用奠定了基础。     

飞秒光参量振荡器的光谱净化和稳定性提升（特邀）

文中首次提出并验证了基于腔内色散管理实现飞秒光参量振荡器（OPO）光谱净化和稳定性提升的方法。对于高功率飞秒OPO,输出脉冲通常具有随时间无序变化的宽带不规则光谱,输出功率波动较大。利用铌酸锂（LiNbO₃）晶体在腔内引入额外的负色散,通过泵浦脉冲的时间滤波效应实现了干净平滑的窄光谱近转换极限的飞秒脉冲输出,光谱稳定性和功率稳定性得到了极大改善。该方法是一种实现飞秒OPO光谱净化和稳定性提升的灵活简便的方法,对于发展高功率的超短脉冲OPO具有重要的应用价值。     

中红外硅基调制器研究进展（特邀）

硅材料在1.1~8.5 μm有非常低的吸收损耗,因此硅基光电子学有望扩展到中红外波段。并且随着通信窗口扩展、气体分子检测、红外成像等应用需求的出现,硅基中红外波段器件研发工作的开展势在必行。在中红外波段硅基光电子器件中,硅基调制器有着举足轻重的地位:它是长波光通信链路中不可或缺的一环,还可以应用在片上传感系统中提高信噪比、实现光开关等功能。研究发现,相比于近红外波段,硅和锗材料在中红外波段有更强的自由载流子效应和热光效应,因此,基于硅基材料的中红外调制器具有独天得厚的优势。系统总结了中红外硅基调制器的发展趋势和研究现状,介绍了基于硅和锗材料的电光调制器以及热光调制器的工作原理和最新研究进展,最后对中红外硅基调制器进行了总结与展望。     

中红外超表面的成像和检测原理及应用进展（特邀）

中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。     

短波中红外硅基光子学进展（特邀）

短波中红外光学（2~2.5 μm）在通信测距、卫星遥感、疾病诊断、军事国防等领域具有广泛的应用。作为短波中红外光学系统的关键核心部件,集成光电器件的开发一直都是重点的研究领域。得益于硅基材料超宽的光谱透明窗口,其在开发短波中红外集成光电子器件方面极具发展前景,近年来获得了广泛的关注。文中简要讨论了短波中红外硅基光子学的应用前景,从无源波导器件（包括波导、光栅耦合器、微型谐振腔、复用/解复用器等）、非线性光学波导器件和光电波导器件（包括调制器和探测器等）三方面综述了短波中红外硅基光子学的发展历史和前沿进展。     

中红外量子级联激光器的光子集成（特邀）

中红外光子集成芯片在环保监测、医疗诊断和国防安全等领域具有广泛的应用前景,但激光光源与无源波导光路的片上集成仍是中红外集成光学需要攻克的关键难题之一。量子级联激光器（QCL）是中红外波段的重要半导体激光光源,文中介绍了近几年中红外QCL在光子集成方面的研究进展,包括InP基单片集成、硅基单片集成、硅基异质键合集成和III-V/锗混合外腔激光器。     

中红外超强超短激光研究进展（特邀）

近年来,可调谐中红外新波段超强超短激光的出现与迅速发展,开辟了强场物理领域中迄今仍很少探索过的参量空间,为开拓超强超短激光与物质相互作用的新物理、新效应及新应用提供了新机遇。文中总结了中红外超强超短激光近年来的发展趋势与研究方向。针对光参量放大、光参量啁啾脉冲放大、中红外脉冲后压缩以及中红外新型光场调控技术4个研究方向,较全面地分析各自的国内外研究现状,并对未来中红外超强超短激光的发展趋势进行了展望。     

中红外集成光子传感系统研究进展（特邀）

近年来，中红外（波长范围2~20 μm）集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口，有着作为气体传感应用的先天优势，并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术，一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。此外，集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度，同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑，易于与其他设备集成的特点。因此，中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。文中对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍，展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展，并对其未来发展做出了展望。     

高功率金刚石激光技术研究进展（特邀）

金刚石拥有已知材料中最高的热导率、低的热膨胀系数、高度的化学惰性及优异的光学性能,使其能够在机械、光学和材料学等领域满足诸多极端条件的应用需求。近年来随着化学气相沉积制备工艺的提高,使得人造金刚石的光学品质得到快速提升,光学级的金刚石晶体因此也以其优异的拉曼和布里渊特性表现出优异的功率提升、相干性增强以及频率转换能力,并推动金刚石激光器在极大程度上克服了基于传统工作物质的粒子数反转激光器存在的热效应、以及波长和输出功率难以兼顾的难题。文中总结了高功率金刚石激光技术的研究进展,并对金刚石激光器的发展趋势和应用前景进行了展望。