近日，中科院上海光機所空天激光技術與系統部研究團隊基于2.1μm Ho:YAG主振蕩放大器泵浦ZGP晶體，在千赫茲重復頻率下實現了大能量3~5μm中波紅外激光輸出，并進一步研究了大能量中波紅外激光的光束質量改善技術。相關研究成果以“High-Repetition-Rate 52-mJ Mid-Infrared Laser Source Based on ZnGeP2 MOPA System”和“High-repetition-frequency, high-energy mid-wave infrared ZnGeP2 MOPA system”為題分別發表于Journal of Lightwave Technology和Laser Physics Letters上。
高重復頻率、大脈沖能量可調諧3~5μm中紅外激光在大氣監測等諸多領域具有重要意義。在可實現中波紅外激光輸出的手段中，非線性頻率轉換技術具備全固態、波長調諧范圍寬和產熱少等優點。受限于固體材料的損傷閾值，目前千赫茲重頻量級下中波紅外激光的脈沖能量僅有~10mJ，難以滿足應用領域的需求。
在這項研究中，研究人員通過光學和結構設計，補償了晶體熱透鏡和熱致雙折射退偏效應，最終利用Ho:YAG MOPA系統實現了重復頻率2kHz、平均功率~200W的高偏振度2.1μm激光輸出。以其泵浦ZGP光學參量振蕩器和放大器，實現了2kHz重復頻率、平均功率103.9W、脈沖能量~52mJ、脈沖寬度18.3ns的3~5μm中紅外激光輸出，但存在中波紅外激光光束質量較差（M2=10）的問題。通過研究泵浦分配比例、單波長注入以及放大器種子和泵浦發散角匹配等技術，在中波紅外激光平均功率53.3 W、脈沖能量26.7 mJ時，實現光束質量M2＜4。該研究工作實現了高亮度、高重頻、大能量中波紅外激光輸出，提升了該類型激光器的應用前景。
高重頻大能量中波紅外激光器裝置結構圖
該項工作得到國家自然科學基金的支持。