中红外波段由于自身独特的性质，在包括安全、医疗、工业、食品以及环境监测等在内的众多领域有着广泛的应用前景。当前，量子级联激光器是中红外相干光获取的重要途径，在宽调谐范围和高功率输出方面性能卓越，但通常工作在连续模式下，实现超短脉冲制备仍具挑战。近年来，氟化物光纤激光器在中红外锁模脉冲产生方面取得长足进步，通过选取不同的增益介质可以获得不同波长的中红外输出，但亟待解决增益带宽受限和材料稳定性问题。此外，基于硫族化合物晶体的中红外固体激光器虽然具备较宽的发射谱带，但依靠单个增益晶体依然难以完全覆盖2-5
µm中红外谱段。
相对而言，光学参量振荡器（OPO）利用二阶非线性晶体作为增益介质，可有效突破传统激光增益介质和材料的限制，获得宽谱及可调谐中红外激光输出。特别是，同步泵浦OPO （SPOPO）为宽调谐、高重频、短脉冲的中红外光源获取提供了有效途径，具有低成本、结构紧凑、高光谱亮度等优点。特别是，结合光纤器件可以形成全光纤或纤固一体的光纤反馈OPO（FOPO），避免了腔体复杂配置和繁琐光学校准，对于进一步缩小激光器体积以及提高输出稳定性具有帮助。当前，FOPO泵浦阈值较高，且波长调谐依赖于相位匹配条件的精确调控，涉及的温度调谐与机械平移的方式限制了调谐速率。
为此，黄坤研究员与曾和平教授团队构建了两种FOPO，无需腔长主动控制即可实现中红外脉冲的稳定输出，且有效降低了泵浦阈值，拓宽了光谱范围与调谐速率。其一，将掺铒光纤作为附加增益介质集成到FOPO腔中，结合光纤增益和参量增益形成协同双增益的结构，能够有效降低泵浦阈值。其二，采用啁啾极化铌酸锂晶体作为非线性介质，利用其宽带准相位匹配优势，获得宽波段参量增益带宽，利用色散滤波机制，通过调节腔长即可实现输出波长的调谐，避免了传统方案中需要调整相位匹配参数（如晶体温度、反转周期等）的操作，大幅简化了光谱调谐过程，可实现波长快速切换，信号光和闲频光调谐范围为1350-1768 nm和2450-4450 nm。相关实验结果与理论模型的预测曲线较为吻合，验证了系统设计的准确性和调谐机制的有效性。
未来，该FOPO系统可以结合高速延时调控装置，提高激光波长的扫描速率，为中红外高光谱成像等应用提供有力支撑。同时，通过时频域精密调控以及腔内色散管理可以进一步压缩脉冲宽度，获得高稳定、低阈值、宽调谐的中红外飞秒脉冲。此外，结合先进光子集成技术及新兴非线性平台，如非线性波导、薄膜或微环谐振器等，有望发展出高度集成的光参量中红外片上光源。
相关成果发表在Photonics Research 12, 2123 (2024)。该工作得到科技部、基金委、上海市、重庆市和华东师大的共同支持。
图 (a)宽调谐中红外光纤反馈光参量振荡器装置图； (b, c) 信号光和闲频光在不同延迟位置下的光谱图；
论文链接：Widely tunable mid-infrared fiber-feedback optical parametric oscillator
