Research Progress of Long-Wave Solid-State Lasers Based on Optical Parametric Oscillation and Amplification Technology

Hai Wang; Lili Zhao; Juntao Tian; Zhiyong Li; Rongqing Tan

doi:10.3788/LOP223375

Laser & Optoelectronics Progress, Volume. 61, Issue 9, 0900013(2024)

Research Progress of Long-Wave Solid-State Lasers Based on Optical Parametric Oscillation and Amplification Technology

Hai Wang^1,2, Lili Zhao^1,2, Juntao Tian^1,2, Zhiyong Li^1,2、*, and Rongqing Tan^1,2

Author Affiliations

¹Laser Engineering Center, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China

²School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China

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Figures & Tables(11)

Fig. 1. Wavelength and full bandwidth of ZGP crystal at angle tuning. (a) (b) Class Ⅰ phase matching; (c) (d) class Ⅱ phase matching

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Fig. 2. Wavelength and full bandwidth of ZGP crystal at temperature tuning. (a)(b) Class Ⅰ phase matching,θ=50.9°; (c) (d) class Ⅱ phase matching,θ=63.1°

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Fig. 3. Wavelength and full bandwidth of ZGP crystal at different pump source. (a) (b) 2 μm pump source,λ_p=2.05 μm; (c) (d) 1 μm pump source,λ_p=1.06 μm

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Fig. 4. ZGP OPO + OPA under different phase-matching conditions ^[35]

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Fig. 5. ZGP OPO realizes the long-wave infrared tunable laser under class I phase matching ^[50]. (a) Schematic diagram of the device; (b) idler output characteristics

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Fig. 6. Idler output characteristics of ZGP OPO under temperature tuning ^[51]

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Fig. 7. Schematic of linewidth narrowing for ZGP OPO ^[57]

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Table 1. Characterization of the long-wave nonlinear crystals

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Table 1. Characterization of the long-wave nonlinear crystals

Crystal properties	AgGaSe₂	AgGaS₂	GaSe	CdSe	ZnGeP₂	BaGa₄Se₇	HgGa₂S₄
Symmetry	Square	Square	Hexagonal	Hexagonal	Square	Monoclinic	Square
Point group	$\bar{4} 2 m$	$\bar{4} 2 m$	$\bar{6} 2 m$	$\bar{6} m m$	$\bar{4} 2 m$	m	$\bar{4}$
Fusing point /℃	860	1238	-	1525	1025	1020	880
Pump source /μm	1.5‒2	1‒2	1‒2	2	2	1‒3	1‒2
Lattice constant /Å	5.992（a） 10.886（c）	5.756（a） 10.301（c）	3.742（a） 15.918（c）	‒	‒	7.625（a） 6.511（b） 14.702（c）	‒
Thermal conductivity /（W·cm^-1·K^-1）	0.011	0.015	0.162（//c） 0.02（⊥c）	0.06	0.36	0.007	0.025
Damage threshold	Low	Low	Low	Low	High	Very high	High
Light range /μm	0.7‒18	0.5‒13	0.65‒18	0.75‒20	0.74‒12	0.47‒18	0.5‒13
Optical symmetry	Negative uniaxial	Negative uniaxial	Negative uniaxial	Positive uniaxial	Positive uniaxial	Biaxial	Negative uniaxial
d_eff/（pm·V^-1）	d₁₄=33	d₁₄=13	d₂₂=56	d₁₅=18	d₁₄=75	d₁₆=31.5	d₁₄=24
Reference	［17］	［18］	［19］	［20］	［21］	［22］	［23］

Table 2. Research of ZGP OPO/OPA technology

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Table 2. Research of ZGP OPO/OPA technology

Year	Pump source	Method	Idler wavelength /μm	Output performance
2007^［31］	KTP OPO（@1.95-2.20 μm）	I-OPO	5.0-10.0	0.4 mJ（@9.0 μm）
2016^［32］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	I-OPO	8.0-8.3	3.2 W（@8.2 μm）
2017^［33］	Tm，Ho∶GdVO₄（@2.05 μm）	I-OPO	7.8-9.9	1.71 W（@8.08 μm）
2018^［34］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	I-OPO+OPA	8.3	11.4 W（@20 kHz）
2019^［35］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	II-OPO+I-OPA	8.2	12.6 W（@10 kHz）
2020^［36］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	OPO+OPA	8.3	7.0 W
2020^［28］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	I/II-OPO	9.2-11.0	3.51 W（@9.8 μm）
2021^{［29，37］}	Ho∶YAG（@2.09 μm）	OPO	8.2	3.15 W（@1 kHz，8.1 ns） 5.48 W（@3 kHz，9.45 ns）
2021^［38］	Ho∶YLF（@2.05 μm）	I-OPO	8.1	3.2 W（@10 kHz，27.11 ns）
2022^［30］	KTP OPO（@2.107-2.154 μm）	I-OPO	7.94-9.07，10.2-10.82	0.8 mJ（@8.03 μm，50 Hz）

Table 3. Research of long-wave OPO/OPA technology of other crystals

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Table 3. Research of long-wave OPO/OPA technology of other crystals

Year	Pump source	Method	Idler wavelength /μm	Output performance
2017^［40］	Nd∶YLF（@1.053 μm）	HGS（II-OPO）	4.18-10.8	1 μJ（@10‒10.8 μm）
2018^［24］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	BGSe（II-OPO）	8.0-9.0	314 mW（@8.925 μm）
2018^［43］	Yb-fiber（@1.035 μm）	HGS（II-OPO）	4.4-12.0	‒
2018^［44］	Nd∶YLF（@1.053 μm）	BGSe（I-OPO）	2.6-10.4	14 μJ（@8.07 μm）
2019^［45］	Cr，Er∶YSGG（@2.79 μm）	BGSe（I-OPO）	3.94-9.55	‒
2020^［46］	Nd∶YAG（@1.064 μm）	BGSe（I-OPO）	8.0-14.0	1.05 mJ（@11.0 μm，10Hz）
2020^［41］	Nd∶YAG（@1.064 μm）	BGSe（I-OPA）	8.0-14.0	230 μJ（@9.5 μm）
2020^［47］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	CdSe（II-OPO）	11.01	802 mW（@1 kHz）
2020^［48］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	CdSe（II-OPO）	10.1-10.8	1.05 W（@1 kHz）
2021^［49］	Ho∶YLF（@2.05 μm）	CdSe（II-OPO）	12.5-12.8	526 mW（@12.5 μm，5 kHz）
2022^［42］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	CdSe（II-OPO）	10.9-11.2	1.26 W（@10.9 μm）

Table 4. Research of long‐wave solid‑state laser with narrow linewidth

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Table 4. Research of long‐wave solid‑state laser with narrow linewidth

Year	Pump source	Method	Idler wavelength /μm	Output linewidth
2014^［61］	Nd∶YAG（@1.064 μm）	HGS（II-OPG） HGS（II-OPA）	3.85-10.0	83 nm（@6.1 μm） 9 nm（@6.1 μm）
2016^［62］	Nd∶YAG（@1.064 μm）	BGSe（I-OPO）	2.7-17.0	9 nm（@7.2 μm）
2017^［59］	Tm∶YAP（@1.938 μm）	OP-GaAs	10.4-11.1	<1.32 pm（@2.38 μm）
2018^［24］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	BGSe（II-OPO）	8.0-9.0	40.67 nm（@8.67 μm）
2018^［60］	Ho∶YLF（@2.05 μm）	CdSe（II-OPO）	10.2	78 nm（@5 kHz）
2019^［35］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	ZGP（II-OPO）（II+II-OPA）	8.2	66 nm 77 nm
2019^［63］	Nd∶YAG（@1.064 μm）	HGS（II-OPO）	5.0-9.0	1.45 nm（@5.39 μm）
2020^［47］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	CdSe（II-OPO）	11.01	7.3 nm
2022^［50］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	ZGP（I-OPO）	8.02-9.15	29.5 nm（@8.02 μm）
2022^［51］	Ho∶YAG（@2.09 μm）	ZGP（I-OPO）	7.53-8.77	18.1 nm（@7.85 μm）

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Hai Wang, Lili Zhao, Juntao Tian, Zhiyong Li, Rongqing Tan. Research Progress of Long-Wave Solid-State Lasers Based on Optical Parametric Oscillation and Amplification Technology[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2024, 61(9): 0900013

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Paper Information

Category: Reviews

Received: Dec. 23, 2022

Accepted: Feb. 6, 2023

Published Online: May. 10, 2024

The Author Email: Zhiyong Li (zhiyongli@mail.ie.ac.cn)

DOI:10.3788/LOP223375

CSTR:32186.14.LOP223375

Topics

laser devices and laser physics

Lasers and Laser Optics

Laser physics

laser manufacturing

Instrumentation, Measurement and Metrology