圖1. 高重頻、高峰值功率長波紅外激光脈沖產生和測量裝置

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室宋立偉和田野研究員團隊在長波紅外飛秒激光研究方面取得重要進展。研究團隊研制出一套重復頻率高達50 kHz、峰值場強達14.8 MV/cm、波長調諧范圍覆蓋8–12.5 μm的長波紅外飛秒激光系統，并基于硅薄膜四波混頻原理解決了長波紅外脈沖難以多維度表征的技術瓶頸，實現了對激光脈沖空間、時間、頻譜和相位等關鍵參數的精確測量。相關研究成果以“Generation and Spatio-Temporal Characterization of High-Repetition-Rate High-Peak Power Long-Wave Infrared Laser Pulses”為題，發表于Laser & Photonics Reviews。

長波紅外(LWIR，8-15 μm)激光在強場物理、紅外測量、超快動力學調控等領域具有重要價值，如8–12.5 μm頻率范圍能精確匹配眾多分子的特征振動指紋區，是紅外光譜學和選擇性激發的重要通道。然而，現有長波紅外激光系統難以兼顧高重復頻率和高峰值強度。同時，由于該波段缺乏高靈敏度探測器件，對激光脈沖的空間分布與時域信息進行精確測量始終是技術難點。

研究團隊基于Yb:YAG激光器，結合多通腔脈沖壓縮、光參量放大和激光差頻技術，成功實現了高重頻、高峰值功率、可調諧長波紅外激光脈沖輸出。該光源在實現50 kHz高重復頻率的同時，于10 μm處獲得121 fs(3.6個光周期)的脈沖寬度和14.8 MV/cm的峰值場強，在長波紅外波段實現了高重頻與強場協同輸出的關鍵技術突破;激光調諧范圍覆蓋8–12.5 μm，平均功率約12 mW。在脈沖表征方面，團隊提出一種基于硅薄膜四波混頻的非線性光學成像方法，將長波紅外激光頻率上轉換至可見-近紅外波段，利用硅基探測器實現了以往難以直接測量的高精度診斷。結合二維光譜成像與互相關頻率分辨光學開關(XFROG)技術，團隊成功實現了對121 fs脈沖寬度、對應頻譜寬度及相位分布的精確重構，測量精度達到少周期量級，為長波紅外超快光源的時域與頻域特性提供了完整、可靠的定量表征手段。

圖2. 脈沖時空特性表征方案及結果

該成果為強場物理、超快化學、紅外光譜學等領域提供了一種兼具高性能與易用性的長波紅外光源方案，有望推動高重頻強場光源在動態過程探測、材料調控等前沿科學中的重要應用。

相關工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學青年基金(A類)、基金委集成項目、中國科學院基礎研究青年團隊項目等支持。

審核編輯 黃宇