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      1. BIBO晶體用于可見光飛秒光學參量振蕩器取得新進展

        時間:2017-04-10 來源:中科院物理所 訪問量:1293

        上世紀90年代初隨著克爾透鏡鎖模(KLM)鈦寶石激光器的發明,飛秒激光技術得到了迅速發展,并被廣泛應用于強場物理、超快現象、微納加工、生物醫學、寬帶通信等領域。目前KLM鈦寶石激光振蕩器作為最成熟的飛秒激光光源,可以直接產生接近單個光學周期(~2.7fs)的極短脈沖,但由于其中心波長在近紅外區域,調諧范圍有限,因此限制了在更寬波段范圍內可開展的超快光譜研究應用。相比之下,同步泵浦飛秒光學參量振蕩器(OPO)由于能夠提寬調諧的飛秒激光脈沖,因此倍受人們的青睞,從KLM鈦寶石激光出現迄今20多年的時間里,一直是超快激光研究的熱點內容之一。但是,與鈦寶石激光相比,飛秒OPO由于受限于泵浦激光的功率及所用非線性晶體的破壞閾值,輸出功率往往很低,如常規采用準相位匹配晶體(如PPLN、PPKTP、PPSLT)的飛秒OPO的輸出功率一般僅100mW左右,大大制約了可開展的實際應用,并且由于準相位匹配晶體較厚的厚度,不僅使得脈沖經歷較大的色散,而且導致信號光與泵浦光之間存在非常大的群速度失配(GVM)。近年來隨著高功率全固態飛秒激光的出現與發展,采用具有高破壞閾值的KTP、BBO、LBO等晶體作為參量增益晶體,為高功率飛秒OPO的發展提供了可能。此外由于這類塊材料晶體可以做的很薄,具有較小的色散及群速失配,因此也可以得到較短的脈沖。但伴隨的新問題是參量效率低、振蕩閾值高。

        針對飛秒OPO的學術意義及廣泛應用,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)魏志義研究員領導的L07組早在多年前就開始了該項工作的研究,并于2007年采用自行設計搭建的飛秒鈦寶石激光振蕩器作泵浦,首次在國內實現了飛秒OPO輸出[1,2]。此后隨著研究工作的深入,該研究組與西安電子科技大學合作相繼又實現了雙波長飛秒OPO[3]、腔內倍頻飛秒OPO[4]、全固態1um波段飛秒激光泵浦的OPO及腔內倍頻等結果[5,6]。最近他們采用近年來出現的新型非線性晶體硼酸鉍(BIBO)作為參量增益晶體,進一步實現了515nm綠光泵浦的飛秒OPO輸出(圖1為實驗光路圖)。相比BBO晶體,該晶體具有更大的允許角、更寬的角度調諧范圍以及更小的空間走離角,在可見光-近紅外波段其有效非線性系數為3.2 pm/V,分別是BBO的1.6倍和LBO的4倍,而且不存在兩種&Iota;類相位匹配條件,因此理論上更適合用于高功率綠光泵浦的飛秒OPO。實驗中他們采用1 mm長的BIBO晶體,在平均功率3.4 W的飛秒515nm激光泵浦下,通過角度調諧方式,獲得了波長覆蓋688-1057 nm范圍的信號光及1150-1900 nm范圍的閑頻光輸出(圖2)。其中信號光的最高平均功率達1.09 W,并且在整個調諧范圍內的功率都大于450 mW,對應的總光光轉換效率超過了40%。在此基礎上利用SF6棱鏡對腔外壓縮技術,分別獲得了最短脈沖為71 fs和90 fs的信號光和閑頻光。與已有利用LBO及BBO晶體的OPO結果相比,證明BIBO作為一種新晶體,用于飛秒OPO不僅可以實現更高的光光轉換效率,而且能夠產生了波長范圍更寬的飛秒激光脈沖。

        圖1. 采用BIBO晶體的飛秒OPO實驗光路圖,泵浦源為克爾透鏡鎖模飛秒Yb:KGW激光器,LBO為倍頻晶體。

        圖2. OPO輸出的信號光(左)和閑頻光(右)的角度調諧光譜及輸出功率曲線圖相

        相關結果發表在新出版的Optics Letters(Vol.41, Issue 21, pp. 4851-4854 (2016)) 上[7],論文第一作者為魏志義指導的聯合培養博士生田文龍,物理所的王兆華及西安電子科技大學的朱江峰也作為主要人員參與了具體研究。該工作得到了中國科學院先導科技專項、科技部國家重大科學儀器設備開發專項和國家自然科學基金項目的資助。(文章來源:中科院物理所)

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