擴展激光波長范圍是光譜學的重要內容之一，得益于超快光學的快速發展，目前人們已產生了振蕩頻率覆蓋從太赫茲、紅外、可見、極紫外乃至X射線的相干輻射，極大地推進了光科學挑戰極限的能力。特別是近年來在阿秒脈沖激光、光學頻率梳、超強物理等研究中，紅外飛秒激光作為取得新突破的基礎和關鍵，引起了人們越來越廣泛的重視。實際上，中紅外相干光源在自然科學與生命科學均有著廣泛的應用，如國家安全、環境檢測、醫學診斷、分子振動動力學的時域相干控制等。目前中紅外激光大多都是基于近紅外超快激光驅動的光參量下轉換技術而實現的，由于該技術所用非線性介質的吸收波長限制，特別是近紅外泵浦激光有限的可輸出功率及低的重復頻率，迄今人們所能得到的中紅外激光不僅鮮有長于5μm的波長，而且平均功率也僅數毫瓦，高功率的中紅外激光僅能從大型同步輻射光源產生。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）研究員魏志義領導的L07組一直致力于超快激光的研究，并于2011年建成當時國際上最高峰值功率的臺面飛秒PW激光裝置，2012年首次在國內實現阿秒激光脈沖，2013年與陳小龍研究組合作首次用SiC晶體獲得4μm波長的飛秒激光。然而這些激光前沿結果都是基于鈦寶石激光系統而實現的，不僅造價昂貴，運行復雜，而且重復頻率低(單次或1kHz)，對應平均功率極其有限，為此他們近年來系統開展了二極管激光直接泵浦的全固態飛秒激光研究。在魏志義的指導下，該組的博士研究生張金偉等人于2013年首次實現了全固態Yb:YGG激光的克爾透鏡鎖模運轉，得到了重復頻率160MHz、脈寬88fs的近紅外激光輸出（Opt Express, Vol.21, 29867 -29873）。此后又在基金委重大國際合作項目的支持下，通過與德國馬普量子光學研究所（MPQ）合作，利用二極管激光泵浦的薄片Yb:YAG激光成功實現了重復頻率從100MHz到260MHz、平均功率從75W到90W的飛秒克爾透鏡鎖模，成為國際上該類研究獲得的最高重復頻率（Optics Letters, Vol.40, 1627 -1630）。
最近，該研究組的張金偉、魏志義進一步與德國及西班牙等國的科學家合作，利用上述100MHz重復頻率的高平均功率薄片飛秒Yb:YAG激光作為驅動激光、LGS作為非線性差頻晶體，成功產生了平均功率0.1W、脈沖寬度66fs、波長覆蓋6.8-16.4μm波段的中紅外飛秒激光，第一次從該波段得到了高平均功率、高重復頻率的相干輻射。圖1為實驗光路圖，由薄片Yb:YAG鎖模激光輸出的1030nm近紅外高功率飛秒壓縮脈沖經光楔分光后，作為主光束的透射光經斬波器入射到LGS晶體產生中紅外差頻激光，表面反射的小部分光作為探針光。采用5mm厚的Ge濾光片將經離軸拋物鏡反射準直的中紅外激光與經延時線的近紅外激光合束后，進行脈寬及其他參數的診斷測量，該濾光片對中紅外激光透射，而對1030nm的近紅外激光全反。圖1中a為近紅外激光的空間分布圖，b為中紅外激光的空間分布與功率測量示意圖，c為電光取樣（EOS）測量系統。通過探測中紅外激光電場調制30μm厚GaSe晶體的雙折射引起的偏振態變化與探針光之間的延時關系并結合斬波器鎖相放大系統，他們得到該激光的脈寬及光譜相位信息如圖2所示，其中a為測量及反演后的中紅外激光振蕩電場分布，b為傅里葉變換EOS信號后的功率譜密度，c為光譜相位。對應11.5μm的載波波長，其脈沖振蕩不到1.7個光周期，結合其重復頻率及測量到的平均功率，所對應的亮度達4.9×1019光子數/（每秒·平方毫米·立方弧度·0.1%帶寬）。該結果不僅比目前這一波段最新光學頻率梳的單個梳齒平均功率高2-3個量級，而且在11.5 μm波長處的亮度比第三代同步輻射這樣的大型裝置高出數個量級，對于未來光學頻率梳、THz技術、中紅外光譜學、非線性顯微成像及超快科學等研究的發展，具有積極的意義。
該結果于9月21日在線發表在最新一期的Nature Photonics上，工作得到國家自然科學基金重大國際合作項目和中科院的支持。
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