宽带可调谐飞秒长波红外激光（7-14 µm）包含了分子复杂的弯曲伸缩共振吸收线，可以广泛地运用于分子探测和生物组织远场成像。随着长波红外飞秒激光功率提升，开辟了前沿应用新方向，如二维红外光谱及动态光谱成像、在固体中高效高次谐波的产生、以及非接触式生物组织的共振消融。在过去的几十年中，高功率长波红外飞秒激光经历了快速的发展，功率从数毫瓦提升至数百毫瓦。目前，最高报道的中红外功率是基于LGS晶体通过光学参量放大，在8.5 µm处实现的1.3 W输出，受限于泵浦功率水平，更高功率中红外激光还未实现。

最近，四川大学梁厚昆教授课题组基于LGS和BGS晶体实现了6-12 µm宽带可调谐激光输出，通过自主研发的紧凑、简便、高效细长方形棒状Yb:YAG放大器提供110 W、220 µJ、274 fs、1 µm激光作为泵浦，首次在7.5 µm处获得了2.4 W输出，在9.5 µm处获得1.5 W。作为概念性验证，展示了高效牙釉质共振消融，并在牙齿上制备了多种微结构，实验表明，在取得相同消融深度条件下，牙釉质共振波长比远离共振波长所需要的激光能量低约2个数量级，为精密牙科手术提高了安全性。

该成果发表在Laser & Photonics Reviews，其题目为“Multi-Watt Long-Wavelength Infrared Femtosecond Lasers and Resonant Enamal Ablation”。本工作的完成单位为四川大学电子信息学院，该院博士研究生杨雪梅和博士研究生张敦祥为论文共同第一作者，通讯作者为该院梁厚昆教授，本研究受到国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重大研究计划培育项目和四川省基础青年科学与技术人才项目资助。

研究亮点

该团队开发了一种采用细长方形棒状晶体的高功率Yb:YAG放大器，这种细长棒状结构增加了表面积与体积之比，能实现有效的热管理。结合高平均功率种子光和低增益放大设计，利用两块Yb:YAG晶体作为增益介质，利用啁啾脉冲放大技术，实现了500 kHz、110 W、274 fs、1 µm激光输出。实验装置示意图如图1所示。

图1 实验装置示意图

进一步地，利用该激光器作为泵浦源，在LGS晶体中通过非线性频率下转换实现了5-12 µm宽带可调谐激光输出（如图2所示），该激光器突破长波红外激光功率极限，在7.5 µm处达到2.4 W，相应的功率转化效率约为2.8%，量子转化效率约20%。

图2 基于LGS晶体的宽带可调谐激光

将LGS晶体替换为BGS晶体，实现了6-12 µm宽带可调谐激光输出（如图3所示），在9.5 µm处达到1.5 W。

图3 基于BGS晶体的宽带可调谐激光

在长波红外区域，生物组织共振消融能实现更高的消融效率和更小的细胞侧向损伤。该团队将9.5 µm飞秒激光源作用于牙齿中的牙釉质（牙齿中最坚硬的部分），这是飞秒激光基于共振波长的首次探索尝试，取得了良好的实验效果，平均功率仅600 mW实现了240 µm切割深度（消融深度由三维表面轮廓仪测得，如图4（a）所示）。经电子显微镜测量（图4（b）和（c））显示表面较为粗糙，有利于正畸过程中增加正畸牙托对牙齿表面的粘附力。此外还利用该激光器制备了一些微结构（图4（d）、（e）和（f）），这些微结构也能进一步增加牙齿表面的粗糙度，有助于牙齿治疗中药物粘附。

图4 基于9.5 µm牙齿组织高效共振消融

该研究团队使用两块Yb:YAG晶体作为增益介质，通过两级啁啾脉冲放大，实现了110 W、274 fs、1 µm激光输出。利用该激光器实现了6-12 µm宽带可调谐长波红外输出，并在牙齿实现了高效生物组织共振消融。

研究应用与展望

数瓦量级宽带可调谐激光器能与人体的主要共振峰精确匹配，能开辟更多临床研究路径，如选择性胰腺肿瘤消融、动脉粥样硬化斑块清除以及软骨组织多微通道成形。随着LGS、BGS、BGSe等长波红外宽带隙非线性晶体的技术进步，获取6-16 µm波段的高功率长波红外脉冲将更为便捷，这将为8-14 µm大气传输窗口内的远程分子探测、高效太赫兹波产生以及固体材料中的高通量高次谐波生成等应用创造更多可能性。

本文作者

杨雪梅 四川大学（电子信息学院）