BIBO晶体用于可见光飞秒光学参量振荡器取得新进展

上世纪90年代初随着克尔透镜锁模（KLM）钛宝石激光器的发明，飞秒激光技术得到了迅速发展，并被广泛应用于强场物理、超快现象、微纳加工、生物医学、宽带通信等领域。目前KLM钛宝石激光振荡器作为最成熟的飞秒激光光源，可以直接产生接近单个光学周期（~2.7fs）的极短脉冲，但由于其中心波长在近红外区域，调谐范围有限，因此限制了在更宽波段范围内可开展的超快光谱研究应用。相比之下，同步泵浦飞秒光学参量振荡器（OPO）由于能够提宽调谐的飞秒激光脉冲，因此倍受人们的青睐，从KLM钛宝石激光出现迄今20多年的时间里，一直是超快激光研究的热点内容之一。但是，与钛宝石激光相比，飞秒OPO由于受限于泵浦激光的功率及所用非线性晶体的破坏阈值，输出功率往往很低，如常规采用准相位匹配晶体（如PPLN、PPKTP、PPSLT）的飞秒OPO的输出功率一般仅100mW左右，大大制约了可开展的实际应用，并且由于准相位匹配晶体较厚的厚度，不仅使得脉冲经历较大的色散，而且导致信号光与泵浦光之间存在非常大的群速度失配（GVM）。近年来随着高功率全固态飞秒激光的出现与发展，采用具有高破坏阈值的KTP、BBO、LBO等晶体作为参量增益晶体，为高功率飞秒OPO的发展提供了可能。此外由于这类块材料晶体可以做的很薄，具有较小的色散及群速失配，因此也可以得到较短的脉冲。但伴随的新问题是参量效率低、振荡阈值高。

针对飞秒OPO的学术意义及广泛应用，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）魏志义研究员领导的L07组早在多年前就开始了该项工作的研究，并于2007年采用自行设计搭建的飞秒钛宝石激光振荡器作泵浦，首次在国内实现了飞秒OPO输出[1,2]。此后随着研究工作的深入，该研究组与西安电子科技大学合作相继又实现了双波长飞秒OPO[3]、腔内倍频飞秒OPO[4]、全固态1um波段飞秒激光泵浦的OPO及腔内倍频等结果[5,6]。最近他们采用近年来出现的新型非线性晶体硼酸铋（BIBO）作为参量增益晶体，进一步实现了515nm绿光泵浦的飞秒OPO输出（图1为实验光路图）。相比BBO晶体，该晶体具有更大的允许角、更宽的角度调谐范围以及更小的空间走离角，在可见光-近红外波段其有效非线性系数为3.2 pm/V，分别是BBO的1.6倍和LBO的4倍,而且不存在两种Ι类相位匹配条件，因此理论上更适合用于高功率绿光泵浦的飞秒OPO。实验中他们采用1 mm长的BIBO晶体，在平均功率3.4 W的飞秒515nm激光泵浦下，通过角度调谐方式，获得了波长覆盖688-1057 nm范围的信号光及1150-1900 nm范围的闲频光输出（图2）。其中信号光的最高平均功率达1.09 W，并且在整个调谐范围内的功率都大于450 mW，对应的总光光转换效率超过了40%。在此基础上利用SF6棱镜对腔外压缩技术，分别获得了最短脉冲为71 fs和90 fs的信号光和闲频光。与已有利用LBO及BBO晶体的OPO结果相比，证明BIBO作为一种新晶体，用于飞秒OPO不仅可以实现更高的光光转换效率，而且能够产生了波长范围更宽的飞秒激光脉冲。

图1. 采用BIBO晶体的飞秒OPO实验光路图，泵浦源为克尔透镜锁模飞秒Yb:KGW激光器，LBO为倍频晶体。

图2. OPO输出的信号光（左）和闲频光（右）的角度调谐光谱及输出功率曲线图相

相关结果发表在新出版的Optics Letters（Vol.41, Issue 21, pp. 4851-4854 (2016)） 上[7]，论文第一作者为魏志义指导的联合培养博士生田文龙，物理所的王兆华及西安电子科技大学的朱江峰也作为主要人员参与了具体研究。该工作得到了中国科学院先导科技专项、科技部国家重大科学仪器设备开发专项和国家自然科学基金项目的资助。（文章来源：中科院物理所）