脉冲宽度达到皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒，ps）量级的超快激光，特别是波长位于近中红外（NIR-MIR）波段的光参量激光，在精密“冷加工”、生物医学成像、光通信以及前沿科学研究等领域有着重要的应用。其中波长位于1.5 μm波段的光源处于“人眼安全”波段，且在光纤中传输损耗低，是激光雷达和光通信的理想光源。然而，要获得兼具高脉冲能量、高光束质量和极短脉冲宽度的紧凑型超快光参量激光，一直是一项技术挑战。
目前，获得超快参量激光主流的技术路线主要有两条。第一条路线是同步泵浦光参量振荡器（SPOPO）。它能够产生光束质量和光谱纯度俱佳的参量光脉冲，但其核心结构——光参量谐振腔，存在难于克服的限制。为了让参量光脉冲与泵浦光脉冲实现同步，OPO谐振腔的长度必须精确匹配泵浦光的重复频率，以MHz重频为例，谐振腔的长度往往需要延伸到数米甚至数十米，导致整个激光系统变得异常庞大、结构复杂且对环境变化极为敏感，极大限制了其实际应用。另一条路线是光参量产生/放大（OPG/OPA）。该方案虽然结构紧凑，但缺点也很明显，其变频阈值高，输出参量光光谱宽，缺乏有效的空间模式筛选机制导致其光束质量往往较差，难以满足许多高精度应用的需求。
近日，中国科学院理化技术研究所激光中心新体制高能固态激光技术研究组提出并验证了一种全新的超快激光参量变频新方案——周期阵列模式自再现光参量变频技术，成功解决了传统SPOPO方法在兼具高能量、超短脉冲和紧凑结构方面面临的瓶颈，为开发小型化、高性能的超快参量激光源开辟了新路径。相关研究成果以High-energy，3 ps，1.5 μm optical parametric conversion based on a periodic KTA crystals array为题发表于Optics Letters期刊上（Vol. 51, No. 1. Page 237，2026），论文第一作者是2024级博士生李珍玲，通讯作者是刘可副研究员。
该方案的核心思想是：用一个精心排布的、由数块非线性晶体组成的紧凑周期阵列，来代替原本庞大而精密的谐振腔。光脉冲不再需要在长达数米的谐振腔内循环往复来实现光脉冲同步以获得能量增益，而是在这个仅有几十厘米长的晶体阵列中高效地模式自再现并放大数次，即可实现“自同步泵浦”的高效率高光束质量参量转换。通过精确设计晶体和透镜的位置，使得参量光模式在每次通过晶体后能够“自再现”，并保持泵浦光与参量光良好的模式匹配，从而模拟了谐振腔的模式筛选和放大功能，但摆脱了SPOPO对腔长的限制。
在该项工作中，研究团队联合安徽华创鸿度光电科技有限公司进行了实验验证。使用一台重复频率为1 MHz的1064 nm皮秒激光器泵浦一个由四块KTA（磷酸氧钛砷酸钾）晶体构成的周期性阵列。整个参量变频装置的物理长度仅为27 cm。该装置成功产生了脉冲宽度短至3 ps、脉冲能量达2.6 μJ 的1.5 μm信号光输出，光束质量近衍射极限（
）。
实验装置图
周期晶体阵列变频装置实物图
周期晶体阵列变频装置原理示意：（a）二维图；（b）简化模型；（c）等效单谐振腔
与国际上已报道的各类皮秒光参量系统相比，这项工作首次在几十厘米的极紧凑尺寸内，同时实现了MHz重复频率下μJ量级的高能量和数个ps的短脉冲宽度输出，综合性能突出。它不仅保留了传统SPOPO光束质量好、光谱纯度高的优点，还摆脱了传统SPOPO同步泵浦条件的限制，突破了现有技术的性能瓶颈。
周期晶体阵列变频装置输出功率曲线图。插图：输出功率稳定性测量
自相关法测量周期晶体阵列变频装置输出1.5μm信号光脉宽图
1.5μm信号光光束质量拟合曲线图。插图：信号光的二维光斑图
1.5μm信号光的重频序列图
这项研究成果为高能量、小型化、高光束质量的超快红外参量激光器的发展提供了全新的设计思路和技术方案，有望在便携式光谱分析、现场材料加工、先进生物医疗设备等领域催生新的应用，具有重要的科学意义和应用价值。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.582946
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