2.2 差频产生法

差频产生过程与和频类似，强度相近的两束光(频率分别为ω₃和ω₁)在非线性晶体中相互作用，产生频率为ω₂=ω₃-ω₁的差频光。当满足适当的相位匹配条件，混频过程有最大增益，差频输出达到极大值。通过转动晶体角度或改变晶体温度，以及改变输人波长等，可以得到很宽的调谐范围。常用的晶体主要是AgGaS₂、AgGaSe₂、GaAs等半导体类晶体，这类晶体的有效透光范围宽，并且非线性系数较大。三种晶体的透光范同分别是：0.5～12µm、0.9～16µm和0.9～17µm，因此输出光的调谐范围宽，但是损伤阈值较低。

1965年Zernike等首次用差频方法得到了远红外辐射。随后，这种方法被广泛应用于远红外辐射的产生。20世纪80年代，人们使用染料激光器为抽运源得到短至2ps、能量为几个微焦、调谐范同在4～10µm之间的红外输出。20世纪90年代后，随着自锁模掺钛蓝宝石激光器的出现，人们主要以钛宝石激光器或是钛宝石再生放大器为抽运源，可得到几百到几十飞秒的中红外激光脉冲。1993年，Tokmakoff等使用Nd:YAG倍频光与染料激光器输出光在LN晶体中差频得到中心波长4.1µm、单脉冲能量2µJ、脉宽50ps的中红外光，这是最早采用中红外光进行瞬态光栅的实验；1994年，P.Seifert等以钛宝石再生放大器为抽运源，抽运光脉宽为150fs，波长可在740～850nm之间调节，单脉冲能量为0.3mJ，一部分能量抽运LBO晶体产生中心波长在1.1µm左右的参量光，产生的参量光再经BBO晶体进行放大，然后经过AgGaS₂晶体差频，最后得到160fs、调谐范围为3.3-10µm的中红外输出，单脉冲能量只有50nJ(5µm处)；2001年Robert A Kaindl等，采用超连续谱光注入GaSe晶体，经过差频过程，得到脉宽50fs、3～20 µm 范围内宽调谐、单脉冲能量1 µJ的红外输出；2002年，J．Song等，利用双波长钛宝石激光器为抽运源，在AgGaS₂晶体中进行差频混频，得到脉宽为600fs、9∼11µm范围内调谐、单脉冲能量为1.6µJ输出。

如图2所示，实验中所采用的双波长钛宝石激光器的中心波长分别为800nm和870nm，脉宽为200 fs。晶体为1mm厚的AgGaS₂，Ⅱ类相位匹配方式。从激光器出来的两束空间分离光，一束经过半波片将偏振方向改变90⁰，另一束在延迟线的调节下与改变了偏振方向的光达到时间同步，然后经过望远镜系统入射到AgGaS₂晶体中。射人晶体之前，两束光总能量约0.84mJ，光束直径3mm。经过非线性晶体中差频后，得到9～11µm、单脉冲能量1.6µJ、脉宽约600fs的中红外输出。转换效率只有2％，主要因为AgGaS₂晶体中存在较强的双光子吸收。

差频产生法得到最短脉冲几十飞秒，是红外辐射产生的常用方法。此法产生的谱线宽度较窄，而且几乎不随波长变化，常被用作获得高光谱分辨率可调谐红外辐射。常用晶体为AgGaS₂、AgGaAs₂、GaAs等半导体晶体，这类晶体的通光范围较宽，可以得到较大范围的红外输出(中远红外)，但是这类晶体的损伤阈值较低，因此输出的单脉冲能量较小，最大输出能量微焦级。据报道，利用这种方法得到的最短脉冲为30fs，单脉冲能量0.5µJ。

2.3 参量放大法

参量放大现象是由Wang和Racette在1965年首先观测到的。A.Laubereau和L.Greiter以及T.Kushida和Y.Tanaka先后在1974和1975年通过参量超荧光过程产生红外谱区可调谐的皮秒强脉冲。它的起始机制实际上是一个差频过程，单程通过晶体的噪声放大所造成的可调谐输出非常强，达到与抽运光同一量级。在注入信号的情况下，可加强信号光频率的参量荧光，进而有效抑制了在不同角度产生不同波长的竞争效应，从而提高了产生光脉冲的光谱质量与转换效率。当注入的信号光被放大到与抽运光强度相近的时候，参量放大就转化为差频过程。而它与参量振荡的区别在于参量振荡具有谐振腔，可以使产生的参量光在腔内形成来回振荡；而参量放大没有谐振腔，是单程增益，一般需要较高峰值强度的脉冲来抽运非线性晶体。目前常用的抽运源主要是锁模钛宝石激光器或是钛宝石再生放大器。常用的晶体主要是具有很高损伤阈值的MgO:LiNb0₃与KTP及其同型晶体等。

参量放大的信号注入方式有很多，如：准连续波注入、参量产生信号光注入、同步抽运激光器输出光注入以及超连续谱注入等，得到几十飞秒，单脉冲能量几十微焦的中红外输出。其中超连续谱注人的方式是目前使用最多的方法。因为，超连续谱具有很宽的谱宽，采用超连续谱注入的方式不但可以实现信号光与抽运光之间的精确同步，并且可以在不进行晶体角度调谐的情况下得到较宽调谐范围的中红外输出。最近Jium-Cheng Wang等采用同步抽运超连续谱注入的光参量放大法得到2.9∼4.0µm、脉宽140fs、70µJ的中红外输出，是目 前所报道的单脉冲能量最大的超短中红外激光。

如图3所示，抽运源由Nd:YV04激光器抽运的锁模钛宝石激光器与调Q的Nd:YLF倍频激光器抽运的钛宝石再生放大器组成。抽运光中心波长为800nm，单脉冲能量3mJ,脉宽135fs，重复频率为1kHz。采用两块长度同为3mm，Ⅱ类相位匹配切割角在θ=43⁰，ф=0⁰处的KTA晶体。首先将抽运光分成单脉冲能量为1.3mJ的两束。第一束抽运光经95／5 分束镜分成两部分，小能量光束聚焦到2mm厚钛宝石片上产生超连续谱；大能量光束经85／15分束镜再分成两部分，其中15％能量部分与产生的超连续谱共线注人第一块KTA晶体中，并对其进行光参量放大产生中红外的闲频光，85％能量部分从第一块KTA晶体的另一端入射，对经CM(Ag凹面反射镜)反射的中红外光进行第二次参量放大。这个放大了的中红外光由第二束1.3mJ抽运光在第二块KTA晶体中进行第三次参量放大。得到脉宽约150fs。在2.9∼4.0µm之间调谐、单脉冲能量约70µJ的中红外输出。

参量放大存在增益饱和区，当参量放大运行在深度饱和区时可以得到稳定放大；同时采用超连续谱注人参量放大的形式，不但可以很方便地得到较宽范围的信号光，同时可以实现抽运光与信号光之间的精确同步。与差频方法相比，参量放大法输出光调谐范围相对较小，主要受晶体材料透光范围的限制(MgO:LiNbO₃与KTP及其同型晶体等，这类晶体的通光范围在2∼5µm内)；但参量放大法输出的能量比差频产生法和参量振荡法输出的能量要高，主要是因为采用了高峰值强度的抽运源和大尺寸的非线性晶体。

2004年美国Clark-MXR公司推出的“OPUS”激光器利用光参量放大，可同时输出可见光、近红外和中红外光，最大波长达12µm，脉宽200fs，其中，近红外(1.1∼2.5µm)单脉冲能量最高60µJ以上，中红外(2.7∼12 µm)单脉冲能量最高1 µJ以上，可见光(0.58∼1.1µm单脉冲能量最高20µJ以上。

近年来，光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)在国际上掀起了研究热潮。2003年，中科院上海光机所徐至展院士带领的研究组自主创新研究与发展的“小型化OPCPA超短超强激光装置”脉宽最短120fs，功率达16.7TW，当时居国际首位。2005年，俄罗斯科学院应用物理研究所研制出45fs、200TW的OPCPA超短超强激光系统，是现在国际上最强的短脉冲激光装置。但目前，还没有关于中红外OPCPA的报道。

3 结语

用于超短中红外激光脉冲产生的三种方法：参量振荡法、差频产生法和参量放大法。其中参量振荡法的转换效率较高，但要求高重复频率，单脉冲能量较低；准相位匹配的光参量振荡，有较高的非线性转换效率，并且可以使那些在通常条件下无法实现相位匹配的晶体和通光波段得以实现频率变换，适用于连续和小型化下的频率变换。

差频产生法，是红外辐射常用的方法，尤其是远红外光的产生，常被用作获得高分辨率的可调谐红外辐射,是产生远红外光的主要方法。

参量放大法，是产生大能量高功率飞秒中红外激光的有效手段，利用参量放大的高增益性在增益饱和点进行放大可以得到稳定的大能量高功率飞秒中红外输出，尤其是超连续注入的光参量放大是目前用来产生高功率飞秒中红外激光脉冲的主要方法。