中红外激光通常是指波长在3-25 µm范围的激光, 很多分子在该波段具有强烈而独特的吸收，因此中红外波段在分子光谱学界被称为“指纹”区域。除了为分子光谱分析提供有力工具外，中红外激光也常应用在定向红外对抗系统、自由空间光通信等领域。

本文介绍了由掺钬氟化钇锂激光器泵浦的OPCPA光源，产生中心波长在4.9 µm的闲频光脉冲，脉冲宽度为89.4 fs，能量为3.4 mJ[1]。后续用该光源作为泵浦，通过差频(DFG)产生了波长为12 µm、脉冲能量为15.5 µJ、宽度为140 fs的脉冲[1]。

图1.  2 µm CPA泵浦的中红外光源装置图[1]

装置如图1所示，重频为40 MHz的多波长光纤激光系统包含三个通道，其中两个通过高非线性光纤展宽光谱分别至2 µm和1 µm。2 µm的种子光经过由掺Ho增益介质的CPA系统放大，得到脉冲能量为56 mJ、宽度为4.1 ps的泵浦光。1 µm和1.5 µm波长的脉冲通过差频产生波长为3.5 µm的信号光脉冲，宽度为30 fs，能量为30 pJ。经过空间光调制器整形、补偿色散和相移后，信号光进入四级磷锗锌参量放大器，每级之间使用蓝宝石片调整信号光和泵浦光脉冲以优化放大效率[1]。经过前三级级联放大，脉冲能量分别被放大到5 µJ、260 µJ、3.5 mJ，此时闲频光脉冲能量为2.4 mJ，之后闲频光聚焦后进入第四级OPA被放大到3.4 mJ。

实验测得的脉冲长期稳定性良好，功率波动均方根值为1.1%，用四个以布鲁斯特角放置的25 mm长的氟化钙晶体压缩，得到中心波长为4.9 µm、宽度为89.4 fs（接近5个光学周期）的脉冲,能量为3.4 mJ，对应峰值功率为33 GW[1]。波长8 µm-13 µm大气窗口之间的红外脉冲，适合光谱学和超快动力学等许多科学应用。前一项工作介绍了波长在5 µm的高功率短脉冲源，这种光源非常适合用来产生更长波长的红外光。受到非线性晶体的限制，远红外光谱区的超短脉冲通常由DFG、脉冲内DFG或光参量放大产生。多数光源采用波长在800 nm的钛宝石激光器或1.03 µm的光纤激光器泵浦，非线性晶体包括硒化镓（GaSe）、硫镓汞()、硫镓银（）等等，同一课题组采用GaSe晶体实现DFG，产生了波长在12 µm、能量超过10 µJ的少周期红外脉冲[2]。

图2.  通过DFG产生长波红外脉冲装置图[2]

实验装置如图2所示，该课题组利用前述5 µm高功率光源作为信号光，搭建了波长在3.5 µm的泵浦光，二者在0.5 mm厚的GaSe晶体中差频，产生了平均功率为15.5 mW的输出,对应脉冲能量为15.5 µJ[2]。作者使用32 mm厚的Ge材料，将放大后的脉冲压缩到140 fs脉宽，压缩效率65%，压缩后脉冲能量为10 µJ[2]。本文展示了中红外OPCPA系统，在1 kHz 、2 µmCPA系统泵浦下，产生了能量高达3.4 mJ的5 µm闲频脉冲，宽度短至90 fs，对应最高峰值功率33 GW。此后，该课题组基于这套光源，通过GaSe晶体差频在11.4 µm波长处实现了17.2 µJ的最大脉冲能量，所产生的脉冲压缩后脉宽小于150 fs。这两项研究，为中红外科学研究和应用提供了新的高能量超快光源。

参考文献：

[1] Uwe O M L P D M L G M D .10-µJ few-cycle 12-µm source based on difference-frequency generation driven by a 1-kHz mid-wave infrared OPCPA.[J].Optics letters,2022,47(11):2891-2894.

[2] von Grafenstein L, Bock M, Ueberschaer D, et al. Multi-millijoule, few-cycle 5 µm OPCPA at 1 kHz repetition rate[J]. Optics Letters, 2020, 45(21): 5998-6001.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之四十九  基于OPCPA的5 ?m与12 ?m高能量飞秒光源