多光子泵浦激光发射技术简介

通过二次非线性效应可在一系列透明压电晶体中通过三波混频而实现相干光辐射的频率上转换（二次谐波以及三波合频效应）；同样，人们亦可利用三次非线性效应，实现频率上转换（三次谐波和四波合频效应）。在以上两类情况下，最重要的技术要求是对折射率的相位匹配条件必须得到满足。为此，在晶体情况下，必须利用双折射效应而实现角度或温度匹配，而在各向同性介质情况下，必须利用反常色散效应而实现匹配。

采用多光子激励的方法，可在特定类型激光介质中，产生足够多的粒子数反转并进而实现高定向的激光输出。与普通类型激光器不同的是，由多光子激励产生的激光辐射波长小于或远小于入射泵浦激光的波长，从而构成了一种产生相干辐射频率上转换的新的物理方法和技术途径，其优点是完全避免了相位匹配的要求。

目前和今后激光技术发展的主要趋势之一，是寻求激光向短波长方向的开拓。基于多光子激励而实现频率上转换受激发射的原理，可为今后探索和发展工作在紫外和软X射线光谱范围内的激光装置，提供一种新的可能途径。

1）多光子激励激光发射研究的发展历程

其实早在20世纪六七十年代，就已经有了在低温半导体晶体中观察到双光子泵浦激光发射的报道［61～63］。此后也有在气体和蒸气样品中实现双光子激励受激发射的零星报道［64～66］。此外，在1993年以前，也曾有少数基于商用染料通过双光子激发而实现受激发射的观察报道［67～71］。然而在后一种情况下，观察到的只是一种仅以光谱变窄为特征的放大的自发辐射（ASE），并不具备定向性和高亮度特性，因此还不能算是严格意义上的激光发射。

在1995年，He等人利用工作在（0.8～1）μm波段的纳秒脉冲激光器作为双光子泵浦源，在采用特殊研制的有机盐类染料的溶液及由它们掺杂激活的块状聚合物等介质样品中，成功实现具有共振腔和高定向亮度输出的频率上转换激光振荡［72，73］。此一突破，大大促进了在这以后有关双光子与更多光子泵浦产生激光发射的后继研究［74～90］。在这一课题研究发展方向上值得一提的重要进展，是在2002年首次实现三光子泵浦激光发射的报道［74］，在2005年首次实现四光子泵浦激光发射的报道［75］以及2013年首次实现五光子泵浦激光发射的报道［76］。(www.xing528.com)

2）多光子泵浦激光装置的一般考虑

至今为止，产生多光子激励激光发射的最有效的材料，为一系列新研制成功的有机染料分子的溶液或掺有这些染料的有机聚合物。这一类介质的共同特性是对适当选择的激发波长而言，具有较高的多光子吸收能力和较强的荧光发射能力。由于这些材料的荧光发射能级寿命较长（在10-8～10-9 s量级），量子效率较高（接近于1），故在多光子激励作用下可以较容易实现粒子数反转和之后的定向激光发射。由于多光子的有效激励要求较高的入射激励光强，故实际采用的泵浦光源均为具有较高峰值功率的脉冲激光光源，而且泵浦光束通常是经过聚焦后入射到增益介质中。

图14-14　用于双光子泵浦的纳秒脉冲激光源（a）、用于双光子和多光子泵浦的亚皮秒激光源（b）与多光子泵浦激光装置（c）［1］

典型用于多光子激励产生频率上转换激光的实验装置如图14-14所示。其中用于产生双光子激励的泵浦源，可以是持续时间为纳秒量级，并工作在近红外波段0.8～1 μm的激光器装置；而为了产生三光子或四光子激励激光发射的泵浦源，则要求为持续时间更短（亚皮秒量级）的高脉冲功率激光器，工作在1.3～2 μm波长区域。由上述激光源输出的脉冲激光束经过焦距为f=10～20 cm的透镜聚焦后入射到选定的增益介质样品中。在给定实验条件下，一旦入射泵浦光的能量（光强）超过某一阈值水平后，即可在入射泵浦光的前向和后向，同时观察到频率上转换的高亮度的定向受激发射输出。在采用纳秒脉冲进行泵浦的情况下，还可实现有光学共振腔的激光输出，此时的光束发散角主要由共振腔的横向波形限制所决定。与此不同，在采用亚皮秒或飞秒脉冲进行泵浦的条件下，增益介质粒子数反转的持续时间，一般不显著大于光子在实际可行的共振腔长度内往返一次的时间，故普通意义上在腔内多次往返的振荡难以实现。但对于以超短脉冲进行多光子激励的受激发射而言，即使不配置共振腔，其输出光束仍可自动具有高定向性。该特性的保证，是由聚焦入射泵浦光束所产生的高增益区的几何结构所决定的，这种结构使受激发射的增益区域类似于一个光纤激光器装置，其输出经过适当准直后可成为准平行的无腔定向激光束，该光束的发散角最终由发射激光区域的最小横向尺寸所决定。