基于3.47μm KTA OPO/OPA泵浦的高斜率效率（70.7%）中红外可调谐Fe:ZnSe激光器实现突破性性能

本刊推荐：为解决中红外（MIR）高能量、短脉冲、可调谐激光源在遥感、医疗和国防等领域的需求，研究人员开展基于非临界相位匹配（NCPM）KTA光学参量振荡器与放大器（OPO/OPA）泵浦Fe:ZnSe激光器的研究，实现70.7%的斜率效率、86 mJ输出能量及3.9–4.5 μm波长调谐，为极端应用提供了高能量密度和高峰值功率强度的先进光源方案。

　　

在当今激光科技领域，中红外（MIR，Mid-Infrared）波段激光尤其是3–5 μm范围内的光源，因其在大气遥感、医疗手术、材料加工和国防安全中的不可替代作用而备受关注。例如，差分吸收激光雷达（DIAL）系统依赖高能量、窄脉冲、波长可调谐且光束质量优良的中红外激光以实现高灵敏度、远距离探测。然而，现有技术路线如光学参量振荡放大（OPO/OPA）和过渡金属（TM）掺杂II-VI族激光晶体（如Cr:ZnSe和Fe:ZnSe）虽各具优势，却均面临效率、能量和脉冲宽度的多重瓶颈。特别是Fe:ZnSe激光器，虽具备宽吸收发射谱和高发射截面等特性，却在短脉冲高能运转时受限于泵浦源性能——传统Er掺杂固体激光波长约2.9 μm量子效率偏低，而氢氟（HF）激光器虽能提供较高能量，却存在系统复杂、有毒气体使用和脉冲较宽（约100–150 ns）等问题，限制了其在高峰值功率场景的应用。

在此背景下，研究人员设计并验证了一种创新性的泵浦方案：利用非临界相位匹配（NCPM）KTA OPO/OPA产生的3.47 μm激光作为泵浦源，首次实现Fe:ZnSe激光器的增益开关运转。这一波长选择不仅更接近Fe:ZnSe的吸收峰值（约3.1 μm），显著提高了量子效率，更凭借KTA晶体在NCPM条件下无走离效应、可承受大尺寸和高损伤阈值等优势，为高能中红外激光输出开辟了新路径。

本研究发表于《High Power Laser Science and Engineering》，团队来自中国工程物理研究院应用电子学研究所等机构，作者包括Xingbin WEI、Song ZHANG等。他们通过构建由Nd:YAG主振荡功率放大（MOPA）系统、KTA OPO/OPA模块及Fe:ZnSe激光振荡器组成的三级实验光路，成功将3.47 μm泵浦光转化为高能中红外激光输出。关键技术方法包括：采用NCPM KTA OPO/OPA产生高能量（293 mJ）、短脉冲（约4 ns）、平顶方形成束的3.47 μm激光；使用双侧扩散掺杂多晶Fe:ZnSe晶体以增强泵浦吸收；通过理论建模与实验结合优化泵浦光斑尺寸，平衡横向寄生振荡（TPO）、非线性吸收效应和晶体损伤阈值；借助液氮温控杜瓦实现80–300 K温度范围内激光波长调谐。

研究结果主要包括以下方面：

一、效率与输出能量突破

在120 K温度下，测得Fe:ZnSe激光器斜率效率达70.7%，对应量子效率为82.5%，创下该类型激光器迄今最高纪录。最大输出能量为86 mJ（吸收泵浦能量136.8 mJ），光-光转换效率62.8%，脉冲宽度6.7 ns，峰值功率12.8 MW，重复频率10 Hz。

二、宽范围波长调谐特性

通过调节晶体温度（80 K至300 K），输出激光中心波长可在3.9–4.5 μm间连续调谐。低温下（如120 K）输出能量较高，随温度升高，因吸收截面减小和再吸收效应增强，能量逐渐下降，但仍保持较高效率。

三、动态吸收与TPO抑制

理论分析了泵浦能量密度对非线性透过率和TPO阈值的影响，结合晶体边缘磨砂暗化处理，有效抑制了横向寄生振荡。实验测得泵浦单次透过率在低能量下为7%，高能量时升至39%，与模型预测基本一致。

四、短脉冲与高峰值功率表现

泵浦脉冲宽度8.8 ns，激光输出为单一纯净脉冲，宽度6.7 ns，无弛豫振荡拖尾，显著优于HF激光泵浦时常见的尖峰-尾迹结构，更利于高峰值功率应用。

研究结论强调，该工作首次演示了3.47 μm KTA OPO/OPA泵浦Fe:ZnSe激光器的高效率和高能量运行，通过提升泵浦波长优化量子效率，实现了创纪录的斜率效率和短脉冲高能输出。波长可调谐特性进一步扩展了其在分子光谱探测和多波段应用中的潜力。此外，团队对TPO抑制和损伤机制的探讨为后续晶体设计和系统优化提供了重要参考。尽管当前采用多晶Fe:ZnSe存在损伤风险，未来改用单晶材料及增加KTA OPA放大级次有望实现焦耳级输出。这项研究不仅推动了中红外激光技术的发展，更为遥感、国防、医疗等极端应用场景提供了高性能光源的新解决方案。