近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部研究团队基于2．1μm Ho：YAG主振荡放大器泵浦ZGP晶体，在千赫兹重复频率下实现了大能量3～5μm中波红外激光输出，并进一步研究了大能量中波红外激光的光束质量改善技术。相关研究成果以“High－Repetition－Rate 52－mJ Mid－Infrared Laser Source Based on ZnGeP2 MOPA System”和“High－repetition－frequency， high－energy mid－wave infrared ZnGeP2 MOPA system”为题分别发表于Journal of Lightwave Technology和Laser Physics Letters上。
高重复频率、大脉冲能量可调谐3～5μm中红外激光在大气监测等诸多领域具有重要意义。在可实现中波红外激光输出的手段中，非线性频率转换技术具备全固态、波长调谐范围宽和产热少等优点。受限于固体材料的损伤阈值，目前千赫兹重频量级下中波红外激光的脉冲能量仅有～10mJ，难以满足应用领域的需求。
在这项研究中，研究人员通过光学和结构设计，补偿了晶体热透镜和热致双折射退偏效应，最终利用Ho：YAG MOPA系统实现了重复频率2kHz、平均功率～200W的高偏振度2．1μm激光输出。以其泵浦ZGP光学参量振荡器和放大器，实现了2kHz重复频率、平均功率103．9W、脉冲能量～52mJ、脉冲宽度18．3ns的3～5μm中红外激光输出，但存在中波红外激光光束质量较差（M2＝10）的问题。通过研究泵浦分配比例、单波长注入以及放大器种子和泵浦发散角匹配等技术，在中波红外激光平均功率53．3 W、脉冲能量26．7 mJ时，实现光束质量M2＜4。该研究工作实现了高亮度、高重频、大能量中波红外激光输出，提升了该类型激光器的应用前景。
该项工作得到国家自然科学基金的支持。
图1 高重频大能量中波红外激光器装置结构图
图2 ZGP OPA输出功率和脉冲宽度
图3 中波红外激光光谱