據OFweek激光網，于2025年09月15日報道，近年來，高功率飛秒激光頻率轉換技術在粒子加速、紅外光譜學和生物醫學等應用中展現出巨大潛力。傳統的中紅外光源依賴多級光學參量放大器（OPA），雖能實現高能量輸出，但系統復雜、體積龐大，需要精確的時空匹配。相比之下，單晶體差頻產生（DFG）方案結構更為簡潔，但對信號光功率要求較高。
近期，俄羅斯科學院P.N. Lebedev物理研究所提出了一種結合CO氣體成絲光譜展寬與HgGaS（HGS）非線性晶體，實現了100 fs鈦寶石激光脈沖向中紅外波段的高效頻率轉換。如圖1所示，實驗使用的驅動光源為中心波長0.95 μm、脈寬100 fs、能量10 mJ的鈦寶石激光器[1]。激光被分為兩束，其中一束（約8 mJ）作為泵浦光，另一束（約2 mJ）經過長焦透鏡聚焦進入1.46 m長的CO氣池。在氣體成絲作用下，信號光產生顯著的光譜展寬，尤其在紅移方向形成寬帶連續譜。隨后，泵浦光與展寬后的信號光經二向色鏡合束后進入HgGaS晶體，發生差頻作用，輸出中紅外脈沖。
如圖2（a）所示，該方案能夠在6–10.5 μm波段范圍內實現連續可調的中紅外輸出。在8 μm波長處，獲得了35 μJ的脈沖能量，對應脈寬約為240 fs，其內部量子轉換效率高達30%。與以往常用的BaGaGeSe晶體相比，HgGaS表現出更優越的性能：其非線性系數更大（約24 pm/V），透射范圍更寬（0.55–13 μm），同時較高的帶隙（2.84 eV）有效避免了在0.95 μm泵浦條件下的雙光子吸收，從而突破了傳統晶體效率受限的瓶頸。在能量特性方面，圖2（b）展示了實驗測得差頻輸出能量隨泵浦能量呈現線性增長，符合參量過程的理論預期。
圖3給出了相位匹配角度掃描光譜，輸出波長在不同角度下能夠平滑覆蓋6–10.5 μm范圍，并呈現中心波長越長帶寬越寬的特性，在相位匹配角θ ≈ 43°條件下，光譜帶寬最寬可達1.1 μm。
在脈寬測量方面，盡管信號光在氣體絲展寬過程中引入了正啁啾，差頻輸出因此呈現負啁啾特性，但仍然能夠實現240 fs量級的脈沖（如圖4所示）。理論上若進一步通過正常色散介質補償，有望將脈寬壓縮至更接近變換極限。
綜上，該研究展示了一種結構緊湊、效率高的飛秒中紅外光源方案。其性能已可媲美多級OPA系統，并為未來高能量、寬帶中紅外光源的發展提供了新思路。
