上海光机所在高重频高峰值功率长波红外激光方面取得重要进展

图1. 高重频、高峰值功率长波红外激光脉冲产生和测量装置

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宋立伟和田野研究员团队在长波红外飞秒激光研究方面取得重要进展。研究团队研制出一套重复频率高达50 kHz、峰值场强达14.8 MV/cm、波长调谐范围覆盖8–12.5 μm的长波红外飞秒激光系统，并基于硅薄膜四波混频原理解决了长波红外脉冲难以多维度表征的技术瓶颈，实现了对激光脉冲空间、时间、频谱和相位等关键参数的精确测量。相关研究成果以“Generation and Spatio-Temporal Characterization of High-Repetition-Rate High-Peak Power Long-Wave Infrared Laser Pulses”为题，发表于Laser & Photonics Reviews。

长波红外(LWIR，8-15 μm)激光在强场物理、红外测量、超快动力学调控等领域具有重要价值，如8–12.5 μm频率范围能精确匹配众多分子的特征振动指纹区，是红外光谱学和选择性激发的重要通道。然而，现有长波红外激光系统难以兼顾高重复频率和高峰值强度。同时，由于该波段缺乏高灵敏度探测器件，对激光脉冲的空间分布与时域信息进行精确测量始终是技术难点。

研究团队基于Yb:YAG激光器，结合多通腔脉冲压缩、光参量放大和激光差频技术，成功实现了高重频、高峰值功率、可调谐长波红外激光脉冲输出。该光源在实现50 kHz高重复频率的同时，于10 μm处获得121 fs(3.6个光周期)的脉冲宽度和14.8 MV/cm的峰值场强，在长波红外波段实现了高重频与强场协同输出的关键技术突破;激光调谐范围覆盖8–12.5 μm，平均功率约12 mW。在脉冲表征方面，团队提出一种基于硅薄膜四波混频的非线性光学成像方法，将长波红外激光频率上转换至可见-近红外波段，利用硅基探测器实现了以往难以直接测量的高精度诊断。结合二维光谱成像与互相关频率分辨光学开关(XFROG)技术，团队成功实现了对121 fs脉冲宽度、对应频谱宽度及相位分布的精确重构，测量精度达到少周期量级，为长波红外超快光源的时域与频域特性提供了完整、可靠的定量表征手段。

图2. 脉冲时空特性表征方案及结果

该成果为强场物理、超快化学、红外光谱学等领域提供了一种兼具高性能与易用性的长波红外光源方案，有望推动高重频强场光源在动态过程探测、材料调控等前沿科学中的重要应用。

相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学青年基金(A类)、基金委集成项目、中国科学院基础研究青年团队项目等支持。

审核编辑 黄宇