據(jù)OFweek激光網(wǎng)，于2025年09月15日?qǐng)?bào)道，近年來(lái)，高功率飛秒激光頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)在粒子加速、紅外光譜學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。傳統(tǒng)的中紅外光源依賴多級(jí)光學(xué)參量放大器（OPA），雖能實(shí)現(xiàn)高能量輸出，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，需要精確的時(shí)空匹配。相比之下，單晶體差頻產(chǎn)生（DFG）方案結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，但對(duì)信號(hào)光功率要求較高。
近期，俄羅斯科學(xué)院P.N. Lebedev物理研究所提出了一種結(jié)合CO氣體成絲光譜展寬與HgGaS（HGS）非線性晶體，實(shí)現(xiàn)了100 fs鈦寶石激光脈沖向中紅外波段的高效頻率轉(zhuǎn)換。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)使用的驅(qū)動(dòng)光源為中心波長(zhǎng)0.95 μm、脈寬100 fs、能量10 mJ的鈦寶石激光器[1]。激光被分為兩束，其中一束（約8 mJ）作為泵浦光，另一束（約2 mJ）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)焦透鏡聚焦進(jìn)入1.46 m長(zhǎng)的CO氣池。在氣體成絲作用下，信號(hào)光產(chǎn)生顯著的光譜展寬，尤其在紅移方向形成寬帶連續(xù)譜。隨后，泵浦光與展寬后的信號(hào)光經(jīng)二向色鏡合束后進(jìn)入HgGaS晶體，發(fā)生差頻作用，輸出中紅外脈沖。
如圖2（a）所示，該方案能夠在6–10.5 μm波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的中紅外輸出。在8 μm波長(zhǎng)處，獲得了35 μJ的脈沖能量，對(duì)應(yīng)脈寬約為240 fs，其內(nèi)部量子轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%。與以往常用的BaGaGeSe晶體相比，HgGaS表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能：其非線性系數(shù)更大（約24 pm/V），透射范圍更寬（0.55–13 μm），同時(shí)較高的帶隙（2.84 eV）有效避免了在0.95 μm泵浦條件下的雙光子吸收，從而突破了傳統(tǒng)晶體效率受限的瓶頸。在能量特性方面，圖2（b）展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)得差頻輸出能量隨泵浦能量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，符合參量過(guò)程的理論預(yù)期。
圖3給出了相位匹配角度掃描光譜，輸出波長(zhǎng)在不同角度下能夠平滑覆蓋6–10.5 μm范圍，并呈現(xiàn)中心波長(zhǎng)越長(zhǎng)帶寬越寬的特性，在相位匹配角θ ≈ 43°條件下，光譜帶寬最寬可達(dá)1.1 μm。
在脈寬測(cè)量方面，盡管信號(hào)光在氣體絲展寬過(guò)程中引入了正啁啾，差頻輸出因此呈現(xiàn)負(fù)啁啾特性，但仍然能夠?qū)崿F(xiàn)240 fs量級(jí)的脈沖（如圖4所示）。理論上若進(jìn)一步通過(guò)正常色散介質(zhì)補(bǔ)償，有望將脈寬壓縮至更接近變換極限。
綜上，該研究展示了一種結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的飛秒中紅外光源方案。其性能已可媲美多級(jí)OPA系統(tǒng)，并為未來(lái)高能量、寬帶中紅外光源的發(fā)展提供了新思路。
