近日，何京良教授团队“光学超晶格中红外光参量振荡器研究进展”入选《中国激光》特色专题“先进激光技术与应用”，并作为亮点文章给予重点推介。
文章全面综述了基于光学超晶格晶体的2~5 μm中红外OPO的国内外研究进展，重点分析了连续波、纳秒和皮秒运转模式下光学超晶格中红外OPO的实现方式和激光特性，并对光学超晶格中红外OPO技术的发展趋势进行了展望。以下为文章主要内容：
背景介绍
2~5 µm中红外激光在遥感探测、大气环境监测、医疗诊断、精密测量以及光电对抗等领域具有广阔的应用前景和不可替代的重要作用。
目前，2~5 μm全固态中红外激光器从产生机理上大致可以分为两类：一类是基于激光增益介质的受激辐射，主要包括半导体激光器、过渡金属或稀土离子掺杂的固体或光纤激光器等；另一类是基于非线性频率变换技术，主要包括中红外拉曼激光器、中红外超连续谱激光器、中红外差频激光器和中红外光参量振荡OPO等。
OPO技术利用晶体的二阶非线性光学效应实现激光频率下转换，包括泵浦源、非线性参量晶体和谐振腔三部分。在满足相位匹配条件下，可以实现“任意”波长的参量光输出，并且入射的泵浦光能量均以光辐射（信号光和闲频光）的形式发射，没有废热产生。
根据初始和反馈条件不同，光参量过程可分为光参量产生（OPG）、光参量放大（OPA）和光参量振荡（OPO）。
当频率为ωp的强高频光（泵浦光）入射到非线性晶体时，通过二阶非线性光学效应，会产生信号光（ωs）和闲频光（ωi）两束新的光波，ωs和ωi满足ωi+ωs=ωp，该过程称为OPG。
当ωp和较弱的ωs同时入射到非线性晶体中时，ωs被放大，同时会产生另外一个频率ωi=ωp-ωs的闲频光，该过程称为OPA，如图1（a）所示。
如果将非线性晶体放置于光学谐振腔中，输入较强的泵浦光，通过谐振腔使新产生的ωs和ωi在腔内不断往返通过非线性晶体，获得持续参量放大输出，该过程称为OPO，如图1（b）所示。
图1光参量效应示意图。(a) OPA示意图；(b)OPO示意图
与其他技术方案相比，OPO具有输出功率高、转换效率高、光束质量好、调谐范围宽以及可实现多种运转方式（连续波、纳秒脉冲、皮秒脉冲甚至飞秒脉冲）等优点。
近年来，随着近红外全固态激光和光纤激光技术的迅猛发展以及大尺寸、高质量非线性光学晶体材料制备工艺技术的日益完备，OPO技术成为当前产生2~5 μm波段中红外激光最有效的技术手段。
本文全面综述了基于光学超晶格晶体的2~5 μm中红外OPO的国内外研究进展，重点分析了连续波、纳秒和皮秒运转模式下光学超晶格中红外OPO的实现方式和激光特性，并对光学超晶格中红外OPO技术的发展趋势进行了展望。
基于光学超晶格晶体的2~5 µm中红外OPO研究进展
铁电类晶体材料在居里点温度以下表现出自发极化特性，存在跟铁磁材料中的磁畴类似的电畴，不同区域的电畴中自发极化的方向不同，通过外加电场周期极化的方法，可以周期性控制其电畴极化方向。
以LiNbO3晶体为例，外电场周期极化后，与奇数阶张量相关的非线性极化系数、电光系数、压电系数等物理参数的符号均发生周期性改变。如果极化周期Λ可以与光的波长比拟，则周期极化后的晶体通常称为光学超晶格。
与其他本征非线性光学晶体相比，光学超晶格可以有效降低连续波OPO的振荡阈值，提高参量光的转化效率和输出功率，并可以通过改变周期和晶体温度实现宽波段波长调谐，成为产生2~5 µm连续波中红外激光的重要技术手段。
1996年，Bosenberg等利用1064 nm连续波Nd:YAG激光器泵浦PPLN晶体，采用单谐振直腔结构首次实现了光学超晶格晶体的连续波OPO运转。
2002年，Gross等首次利用Yb掺杂连续波光纤激光器泵浦PPLN晶体实现了1.9 W连续波中红外激光输出，为新一代小型化中红外激光光源提供了新的技术路径。
2012年，刘磊等采用Yb光纤激光器泵浦PPLN晶体，获得12.09 W的3.414 µm连续波激光输出，量子转换效率达到79.2 %；3.81 µm波长输出功率达到4.25 W，并同时实现了3.24~3.82 µm宽调谐激光输出。
2013年，许晓军等采用光纤激光泵浦PPLN晶体实现了3.2~3.9 µm宽调谐连续波激光输出，最高功率34.2 W。
连续波可调谐中红外OPO研究进展
为满足气体探测、精密光谱分析等对单频、宽调谐中红外连续波激光的需求，基于光学超晶格晶体的窄线宽连续波中红外OPO成为一大研究热点。要获得窄线宽连续波OPO输出，一般采用四镜环型腔加标准具结构对信号光或闲频光线宽进行控制。
山东大学何京良教授团队采用南京大学祝世宁院士团队制备的PPLN光学超晶格，利用全固态单频激光泵浦的四镜环型腔结构，并通过PPLN晶体周期调谐和温度调谐相结合，实现了从1344.6 nm到5103.2 nm的PPLN-OPO窄线宽宽调谐中红外激光输出，如图2所示。
图2基于多周期PPLN光学超晶格的2~5 µm连续波窄线宽宽带调谐OPO：（a）PPLN-OPO结构示意图；（b）PPLN-OPO最长波长输出光谱；（c）窄线宽连续波PPLN-OPO波长调谐曲线；（d）泵浦功率27.5 W时闲频光输出功率和光光转换效率随调谐波长的变化曲线。
高功率纳秒中红外OPO研究进展
纳秒中红外激光在遥感、医疗、军事对抗和无线光通信等领域具有非常重要的应用。相比连续波激光，纳秒脉冲激光具有更高的峰值功率，易于实现高效率的非线性频率变换，是研究高功率宽调谐中红外激光的主要光源。
纳秒脉冲激光是OPO发明以来研究最广泛的运转模式。采用纳秒激光泵浦源，可以有效提高OPO的转换效率，进而获得高功率中红外激光输出。但由于纳秒脉冲激光峰值功率高，急需解决高功率运转情况下超晶格晶体材料的光损伤、热畸变和光束质量控制等关键问题。
1995年，美国戴顿大学的Myers等以调QNd：YAG激光器为泵浦源，首次实现了基于光学超晶格晶体的纳秒OPO中红外激光运转。第二年，他们利用25个极化周期的PPLN光学超晶格晶体实现了1.36~4.83 μm宽带调谐激光输出。
随后，该团队利用纳秒Nd:YAG激光作为泵浦源，采用单谐振结构，在3~4 μm波长范围内实现了大于3 W纳秒调谐中红外激光输出。
2016年，中国工程物理研究院彭跃峰等人采用OPO加OPA技术，利用310 W声光调Q Nd:YAG激光作为泵浦，获得了74.6 W的2.68 μm参量光输出，功率达到国际领先水平。
山东大学何京良教授团队采用高功率纳秒1064 nm激光器作为泵浦源，采用2 mm厚的PPLN晶体实现了高功率高效率的简并点OPO参量光输出。在泵浦功率为60.9 W时，得到了OPO的输出功率为33.3 W，光-光转换效率为54.7%，水平和竖直方向上M2因子分别为1.45和1.62。
此外，何京良教授团队采用双通单谐振的结构，在1064 nm泵浦光功率72 W时，得到了10.2 W的3.79 μm中红外参量光，光-光转换效率和斜效率分别为14.2%和15%，在水平和竖直方向上M2因子分别为1.46和1.5。采用光纤激光器作为泵浦源，结合PPLN周期调谐和温度调谐，实现了闲频光2128.6~5076.8 nm范围内可以连续调谐的中红外激光（图3）。
图3 基于多周期PPLN的2~5 μm纳秒宽调谐OPO。（a）纳秒宽调谐OPO实验结构示意图；（b）OPO的波长调谐曲线；（c）泵浦功率18 W时闲频光输出功率随波长的变化曲线。
近年来，随着光纤激光技术的飞速发展，基于光纤激光泵浦的纳秒光学超晶格OPO易于实现小型化、模块化和集成化，展现出更为广阔的应用前景，是未来OPO技术发展的一个重要方向。
皮秒中红外OPO研究进展
2~5 μm宽调谐中红外皮秒激光在激光测距、激光雷达、原子分子动力学和时域光谱学等领域具有广泛应用。同步泵浦光学超晶格OPO是实现中红外皮秒脉冲激光的有效手段，特别是传统锁模激光器不能直接产生的波段。
但是，皮秒脉冲激光持续时间短，参量光在泵浦脉冲持续时间内无法在谐振腔中形成多次往返振荡，难以达到振荡阈值。因此，皮秒OPO要基于同步泵浦原理，即：OPO谐振腔腔长与泵浦激光器腔长匹配，保证参量光脉冲在OPO腔内往返一周的时间与泵浦光脉冲序列的重复周期相同，从而使参量光脉冲与入射到非线性晶体的泵浦光脉冲持续发生相互作用，并被不断放大。
由于高重频的连续波锁模皮秒脉冲激光器峰值功率较低，因此早期的皮秒OPO大都采用振荡阈值较低的双谐振结构。
山东大学何京良教授团队利用混合腔板条放大器得到高功率皮秒激光，然后泵浦多周期PPLN晶体，实现了闲频光调谐范围3362~4290 nm中红外参量光输出，并且在60%的调谐区间内，输出功率超过0.4 W。
近年来，随着皮秒脉冲激光产生、放大技术的发展，基于光学超晶格单谐振皮秒OPO已经实现，这也代表了皮秒OPO最实用化和最稳定的工作模式。
目前，基于光学超晶格的2~5 μm皮秒OPO最高输出功率为7.1 W@2.1 μm，最宽调谐范围为2.7~5.3 μm。随着皮秒激光泵浦源功率的提升，皮秒宽调谐中红外激光器性能将获得进一步提高。
发展趋势和挑战
（1）大尺寸、高质量光学超晶格晶体是实现高功率OPO输出的基础，如何制备高光学质量的大尺寸、低损耗、高损伤阈值的光学超晶格是一个很大的挑战。
（2）解决光参量振荡过程中的热管理、波长快速调谐等问题，突破4 μm以上波段输出功率低，热效应严重等关键难点，将为实现高功率宽调谐OPO提供方案。
（3）纵观国内外OPO发展现状，高功率、宽调谐、低功耗、微型化、轻量化是2~5 μm光学超晶格中红外OPO未来发展的必然趋势。优化OPO技术方案、提升泵浦源性能，创新设计谐振腔结构，实现可靠的工程化是未来发展的关键。
