5.3瓦功率、80飞秒脉冲宽度的光学参量振荡器，工作频率为1吉赫兹，具有宽可调谐范围

《Optics & Laser Technology》：5.3 W, 80 fs, widely tunable optical parametric oscillator at 1 GHz repetition rate

本研究基于自研Yb掺杂光纤放大器，实现了1GHz重复频率、平均功率超4W的飞秒光学参量振荡器（OPO），信号波长调谐范围1373-1513nm，脉冲宽度80-136fs，尾波器波长3392-4317nm，最高总光光转换效率达52.9%，创下单Yb泵浦GHz飞秒OPO的最高平均功率、最短脉冲及最高转换效率。

　　
近年来，光学参量振荡器（OPO）在高功率、短脉冲激光领域的研究备受关注。尤其针对近红外和中等红外波段飞秒激光的生成，其在时间分辨光谱学、天文光谱校准、精密频率和时间传输等应用中展现出独特优势。然而，传统Yb掺杂激光器泵浦的GHz级飞秒OPO系统面临多重挑战：包括泵浦源功率与重复频率的平衡、非线性晶体的相位匹配带宽限制、高功率下的热透镜效应抑制以及腔体结构的紧凑化设计等。当前研究普遍认为，飞秒OPO的平均功率和效率受限于泵浦激光的脉冲宽度和能量分布，以及腔体结构的模式竞争问题。

该研究团队通过创新性的腔体设计和技术集成，成功突破了上述瓶颈。实验采用自研的Yb掺杂光纤放大器作为泵浦源，该设备在1037nm中心波长处输出20W平均功率、140fs脉冲宽度、200MHz重复频率的飞秒激光束。与常规泵浦方案不同，研究团队重点优化了非线性晶体的物理特性和光路架构。选用5%掺杂浓度的MgO: PPLN晶体（尺寸3mm×12.3mm×1mm），其固有的宽调谐范围和非线性系数使其能够有效处理高功率泵浦信号。特别值得注意的是，晶体表面进行了固定极化处理，这显著提升了相位匹配效率并扩展了波长调谐范围。

在腔体结构设计方面，研究团队采用环形腔体架构替代传统线性腔结构。通过精确调控环形腔的几何参数，实现了泵浦频率的倍频效应。这种设计不仅将泵浦源的200MHz重复频率提升至1GHz，还通过缩短有效腔长（仅13.9cm）来增强非线性相互作用，从而在保持高功率输出的同时将脉冲宽度压缩至80fs。实验数据显示，当泵浦功率达到14.4W时，信号臂输出功率突破5.3W，对应idler臂在3579nm处获得2.34W的平均功率，总光学-光学转换效率达到52.9%。这一效率指标较之前最高记录值（约31%）有显著提升，标志着Yb掺杂激光泵浦的飞秒OPO系统在能量转换效率方面的重要突破。

波长调谐性能方面，研究团队通过动态调节光栅周期（对应波长范围1373-1513nm），成功实现了信号波长的连续调谐。在80-136fs脉冲宽度范围内，系统在1448nm附近达到峰值输出功率。这种宽调谐特性源于MgO: PPLN晶体的非线性系数对波长的高度敏感性，配合光栅的周期微调技术，能够有效补偿因温度波动或机械振动导致的相位失配问题。特别值得关注的是，idler臂的波长范围扩展至3392-4317nm，这一结果得益于晶体内部应力分布的优化设计，以及谐振腔中多路径光程的精确控制。

热管理机制是该研究取得高功率输出的关键因素之一。传统飞秒激光器在千瓦级泵浦功率下会出现严重的热透镜效应，导致光斑畸变和脉冲宽度展宽。本团队通过开发梯度镀膜反射镜，在腔体中形成动态冷却效应。当泵浦功率达到14.4W时，信号脉冲的峰值功率密度仍能保持稳定，这验证了新型散热结构的有效性。此外，环形腔体的对称性设计有助于均匀分布高功率激光束，避免局部过热问题。

对比现有文献，该研究在多个关键指标上实现超越。例如，2025年文献报道的同步泵浦系统（文献[18]）虽然实现了5W级信号输出，但其脉冲宽度为139fs，转换效率仅30.7%。相比之下，本系统通过改进倍频泵浦机制，在相同泵浦阈值下将脉冲宽度缩短12%，同时将转换效率提升至52.9%。在技术路径上，研究团队摒弃了传统需要超长腔体（数米级）的Vernier效应方案（文献[23][24]），转而采用紧凑型环形腔结构，这种设计不仅降低了系统复杂度，还通过缩短光程减少了模式竞争风险。实验数据显示，当泵浦功率阈值降至2.1W时，系统仍能维持稳定运行，这为工业级应用提供了可行性基础。

该成果在飞秒激光产生技术领域具有里程碑意义。首先，系统实现了亚100fs脉冲与GHz重复频率的协同优化，这在Yb掺杂泵浦体系中尚属首例。其次，通过光栅周期与泵浦功率的协同调控，研究团队成功突破了非线性晶体的相位匹配带宽限制，将有效信号波长范围扩展至137-151nm，覆盖了大部分近红外光谱学常用波段。第三，转换效率的突破性提升（较传统方案提高67%）得益于多级能量传递机制的优化，具体表现为泵浦光束在晶体中的多路径传输效率提升和斯托克斯/反斯托克斯光子对的协同放大。

在应用前景方面，该系统为多个前沿领域提供了关键技术支撑。在空间科学领域，其宽波长调谐特性可支持多波段光谱的同步测量，这对行星大气成分分析具有重要价值。在生物医学研究中，80fs脉冲能够穿透生物组织并实现亚细胞级成像，配合3392-4317nm的idler波长，可同时获取荧光信号和生物组织穿透深度信息。工业制造方面，该系统的1GHz重复频率与5W级平均功率可满足超快激光加工的需求，特别是在微纳加工中，飞秒激光的峰值功率可达吉瓦量级，能够实现纳米级精细加工。

未来研究可重点关注以下方向：首先，探索晶体掺杂浓度的优化梯度，以进一步提升转换效率和功率稳定性；其次，开发自适应光栅调节系统，实现波长调谐速度与脉冲宽度的动态平衡；最后，尝试将系统扩展至THz重复频率，结合表面等离子体共振技术，可望在太赫兹通信和成像领域获得突破性应用。该研究为飞秒激光技术从实验室向产业化应用奠定了重要基础，其技术路线对超快激光源发展具有普适性参考价值。