近期，中科院理化所激光中心皮秒激光研究團隊開創性地提出了一種新型高能量皮秒光參量振蕩技術，突破了超短脈沖光學參量震蕩（OPO）能量提升的難題，提出再生放大——光參量振蕩（RG-OPO）的新思路，得以在長度僅為1.5 m的OPO腔中實現最大脈沖能量30.5 μJ、重頻10 kHz、波長1.53 μm、脈寬7 ps 的OPO信號光脈沖輸出，將國際上皮秒或者飛秒OPO輸出的最高單脈沖能量一舉提升了20倍。
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高能量紅外超短脈沖激光在很多領域具有重要的應用，如阿秒光學、激光與材料相互作用以及激光遙感等。在阿秒光學中，高能量紅外皮秒或飛秒超短脈沖激光可用作產生高次諧波（HHG）的抽運源；采用高能量紅外超短脈沖激光直寫可制作出各種功能的光學器件。OPO方法具有無需種子激光、光束質量好、線寬窄、寬調諧、轉換效率高等優點，是獲得高能量紅外超短脈沖激光的重要方法，在某些重要的波段，如3~5 μm，8~12 μm等大氣透過窗口，OPO往往是獲得高能量皮秒脈沖的最有效途徑。
在傳統的同步抽運超短脈沖OPO設計中，OPO腔長要與基頻抽運脈沖的重復頻率相匹配，從而滿足同步抽運條件，即脈沖重復頻率越低，所需要的OPO腔長越長。為了獲得更大的脈沖能量輸出，甚至需要采用數十米長的OPO腔，才能在較低重頻下工作。這種設計不僅結構非常復雜，而且獲得的脈沖能量有限。之前國際上報道的皮秒或者飛秒OPO實現的最大脈沖能量僅為1.5 μJ左右，長期以來停滯不前。
圖1 高能量皮秒光參量振蕩光路示意圖
圖1是高能量皮秒光參量振蕩光路示意圖，下半部分(part 1)為基頻光脈沖注入鎖定放大部分，大能量的基頻皮秒脈沖注入鎖定到再生腔內從而可以在腔內循環。上半部分(part 2)為皮秒OPO及脈沖倒出部分，在大能量基頻皮秒脈沖的往復抽運下，OPO腔內產生大能量的皮秒參量光脈沖，在脈沖能量達到最大值時通過Q開關將其倒出。該裝置全部光路長度僅為米級，非常緊湊，而根據傳統設計，同樣的重復頻率下OPO的腔長須長達15 km，顯然是不現實的。
圖2 基頻皮秒脈沖與OPO信號光脈沖能量隨抽運功率的變化
基頻皮秒脈沖與OPO信號光脈沖能量隨抽運功率的變化如圖2所示，在基頻皮秒脈沖能量達到170 μJ的情況下，OPO信號光能量達到最高的30.5 μJ。圖3所示為OPO腔內信號光脈沖演化過程以及由Q開關倒出的重頻為10 kHz的OPO信號光脈沖序列。
圖3 OPO腔內信號光脈沖演化與信號光輸出脈沖序列
該研究成果在國際上率先開啟了超短脈沖OPO能量進入數十μJ的大門，并有潛力在未來提高3個量級至數mJ級，解決了長期以來超短脈沖OPO脈沖能量止步于μJ量級的國際難題。該技術不僅適用于皮秒OPO，同樣也適用于飛秒OPO，只要采取合適的措施來控制腔內的色散以及非線性效應。
相關成果以30.5-μJ, 10-kHz, picosecond optical parametric oscillator pumped synchronously and intracavity by a regenerative amplifier為題發表在Optics Letters [ 43 （ 3 ）：539 , 2018] 上。研究團隊首席科學家為許祖彥院士，團隊負責人為彭欽軍研究員，皮秒激光研究方向負責人為劉可博士。該結果一經發表，引起了國際著名激光行業雜志laser focus world的關注，入選2018 年第2期Newsbreaks。該工作得到了中科院創新基金（CXJJ-16S059）的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OL.43.000539
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