最近十几年来,随着飞秒激光技术及非线性晶体制备技术的逐渐成熟,非线性光学频率变换技术得到了飞速发展。非线性光学频率变换技术的研究旨在突破激光增益介质发射谱线的限制,使激光器输出波长拓展至传统激光器所无法直接输出的波段范围,以满足更加广泛的科研及应用需求。到目前为止,非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。近些年来,本研究室在研究光纤飞秒激光器的基础上,开展了基于掺Yb ³⁺光子晶体光纤飞秒激光系统抽运不同介质的非线性频率变换研究,主要包括:基于块状晶体的光学参量振荡(OPO)技术、基于砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换、基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生。简要介绍国内外相关研究成果,重点综述了本研究室近五年来在上述研究领域的科研成果,分别介绍了OPO技术、砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换和基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生技术的基本原理、研究进展以及前沿应用。

小型化、低成本和低噪声的激光器有助于实用化非经典光源的实现。掺镱光子晶体光纤锁模激光器与钛宝石激光器相比，具有系统结构简单、体积小和价格低的优点，但其噪声特性还有待深入研究。采用一套适用于测量脉冲激光器噪声的自零拍探测系统，对掺镱光子晶体光纤飞秒激光器的噪声进行了测量分析。结果表明掺镱光子晶体光纤飞秒激光器的振幅噪声显著高于其散粒噪声基准，说明该激光器的输出不是理想的相干态光场，其噪声特性有待进一步提高。

利用50 MHz和1 MHz的重复频率光子晶体光纤飞秒激光分别在45#钢表面产生了微浮雕结构。实验发现微浮雕结构的高度和宽度与入射激光功率、激光扫描速度以及脉冲重复频率有关。通过调整这些参数, 可以实现对微浮雕形态结构的精确控制。对微浮雕结构的产生机制进行了初步分析, 发现微浮雕结构的产生与高重复频率飞秒激光的热积累效应有关。热积累导致了45#钢的表面熔化, 在液体表面张力和温度梯度力共同作用下, 产生了微浮雕结构。

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm, 重复频率50 MHz, 最大平均功率16 W, 光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划, 并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比, 发现利用新组建的加工系统进行微纳加工, 由于单脉冲能量较小且便于调节, 使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制, 且避免了加工过程中未加工区域受到的污染, 保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。