2.79μm泵浦BGSe-OPO超宽调谐中红外纳秒脉冲参量研究

4-14μm mid-infrared laser plays an important role in the military, environment, biology and scientific research, in order to meet the laser radar, optoelectronics confrontation, laser ablation and dynamics of biological macromolecules and other applications that require the development of a wide tuning high-energy mid-infrared OPO laser technology. But limited by the damage threshold and transmission range of the nonlinear crystal, and mid-infrared pump light source performance and parametric conversion efficiency and other issues, the current mid-infrared OPO energy is low, and the tuning range is limited. This project uses the homemade new laser crystal, develop high beam quality electro-optical Q-switched LD pumped 2.79μm erbium laser source, and design new mid-IR nonlinear crystals BaGa4Se7 (BGSe) based OPO to achieve wide 4-14μm mid-infrared tunable high-energy laser output. Focus on BGSe crystal wide tuning nonlinear characteristics, explore BGSe-OPO parametric oscillation mechanism, given the relationship between the phase mismatch, walk-off effect relationship, characteristics of the wavelength tuning and gain bandwidth changes and structural parameters and parameters of the pump cavity parameters. The establishment of high energy wide tuning gain theoretical model BGSe-OPO will be achieved, and proposed design methods of efficient OPO system, that will provide a foundation for research to enhance the level and mid-infrared laser technology and promote independent BGSe crystal applications.

4-14μm中红外激光在军事、环境、生物和科研等领域有着重要的作用，为了满足激光雷达、光电对抗、激光消融和生物大分子动力学等应用，需要发展宽调谐高能量中红外参量激光技术。但受限于非线性晶体的损伤阈值和透光范围，以及中红外泵浦光源性能和参量转换效率等问题，目前中红外参量激光能量较低、调谐范围有限。本项目采用自主生长的新型激光晶体，研制高光束质量的LD泵浦2.79μm电光调Q铒激光源，设计新型中红外非线性晶体BaGa4Se7（BGSe）的光参量振荡器，实现4-14μm超宽调谐高能量中红外激光输出。重点研究BGSe晶体宽调谐非线性特性，探索BGSe-OPO参量振荡机理，给出相位失配、走离效应、波长调谐及增益带宽变化与参量腔结构参数和泵浦参数的特性关系，建立高能量宽调谐BGSe-OPO的增益理论模型，提出高效率参量振荡系统的设计方法，为提升中红外激光技术水平和推进自主BGSe晶体应用提供研究基础。

中红外激光在光谱学、生物医疗、大气探测及光电对抗等领域有着重要的应用。基于光参量振荡器（OPO）的中红外激光技术一直是国际上研究的重点，探索新型高性能中红外非线性晶体，表征新型中红外非线性晶体在中长波的输出性能，对该领域技术的发展具有重要意义。本课题与中科院北京理化所合作开展研究，中科院北京理化所负责新型BaGa4Se7 （BGSe）红外非线性光学晶体的生长与优化，并进行了多种极具潜力的新型硫族化合物晶体的探索，生长出了高质量大尺寸的BGSe晶体进行光参量实验研究；本单位利用这一新型非线性晶体BGSe，围绕2.79μm高峰值功率纳秒脉冲参量泵浦源、2.79μm激光泵浦的OPO结构设计、高效率宽调谐BGSe-OPO输出特性等开展了研究，取得了一批有特色、有影响的成果，主要包括：晶体生长优化方面，突破了BGSe生长的关键技术，生长出了Φ40×150 mm的高质量大尺寸BGSe晶体，通过退火研究改善了BGSe晶体的质量，提高了晶体在1–14 μm透过率，降低了其吸收系数，获得了30mm长的晶体进行光参量实验；激光实验方面，对多种不同Er3+掺杂的增益介质进行了2.79μm高峰值功率电光调Q实验研究，并进行了光束整形，利用振荡+放大系统在10Hz重复频率下实现了脉冲能量26mJ@28ns、高光束质量M2=1.6的2.79μm激光输出，获得了泵浦OPO所需的高峰值功率密度、高光束质量的参量泵浦源；分析了影响参量转换效率的内在物理因素，设计了与泵浦源相匹配的高效率BGSe-OPO系统，光参量振荡实验获得了脉冲能量3.5mJ@10Hz、脉冲宽度21ns、3.94-9.55μm可调谐的中红外激光输出，长波的调谐范围受限于目前中红外波段的镀膜工艺，光束质量因子M2x=5.0，M2y=4.6，最大的光光转换效率为18.9%，斜效率高达31.6%，实现了高脉冲能量、高转换效率、宽可调谐范围、高光束质量的中红外激光输出。。项目执行期间已发表22篇论文，其中包括1篇Optics Letters，1篇Optics Express、1篇Infrared Physics & Technology ，申请专利17项。