近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部红外光学材料研究中心张龙、范金太、王雨辰研究员团队，在过渡金属离子掺杂II-VI族中红外增益介质与超快激光系统领域取得系统性突破。团队围绕Cr:ZnS/ZnSe增益介质的精准制备、克尔透镜锁模振荡器调控及高功率激光放大系统搭建开展全链条攻关，成功实现了2-3μm波段高性能中红外超快激光的可控产生与高功率放大，大幅突破了传统中红外激光效率低、功率受限、调控难度大的技术瓶颈。该波段兼具大气窗口低损耗传输与分子指纹区高特异性识别优势，在国防安全、环境监测、精密计量及超快光谱等领域具有不可替代的应用价值，而基于Cr:ZnS/ZnSe的直接发光技术被公认为实现该波段高功率、宽调谐、超短脉冲输出的理想路径。然而，此前增益介质供应链受限、激光功率偏低及锁模性能不足等难题，严重制约了中红外超快激光的性能升级与工程实用化。
针对上述关键问题，研究团队创新采用双面镀膜热扩散工艺，结合有限元模拟与修正菲克扩散模型优化制备参数，精准研制出径向梯度掺杂Cr:ZnS/ZnSe多晶增益介质，实现了Cr2+离子浓度的可控梯度分布，完成了泵浦光与激光腔模式的原位自适应匹配，有效解决了均匀掺杂导致的吸收不均和能量提取不充分等问题。优化后的Cr:ZnS激光器斜效率提升至53.5%，最大输出功率达5.8W，为高效中红外增益介质设计提供了全新方案（Optics Express, 2025, DOI: 10.1364/OE.570528）。在此基础上，团队基于X型折叠线性腔搭建2.4μm波段克尔透镜锁模Cr:ZnS飞秒激光器，通过精细色散调控，在孤子锁模状态下获得37fs少光周期超短脉冲（小于5个光学周期），平均输出功率572mW，并观察到多种亚100fs束缚态孤子分子现象（Optics Express, 2025, DOI: 10.1364/OE.537071）。
进一步地，团队联合超强激光科学与技术全国重点实验室，以自主研发的梯度掺杂增益介质为核心，搭建单级和双级单程主振荡功率放大（MOPA）系统。以39fs超短锁模脉冲为种子源，双级放大系统实现了10.4W高功率飞秒脉冲输出，放大增益达33倍，单脉冲能量60.1nJ，色散补偿后稳定获得78fs高质量超短脉冲，全程无显著增益窄化效应；单级系统亦可将连续种子光功率从2.8W提升至9.5W，光–光效率达27.4%，小信号增益最高38.5倍。相关成果发表于Infrared Physics Technology（2026, DOI: 10.1016/j.infrared. 2026.106654）。该系列研究完整打通了从增益介质可控制备、超快振荡器设计到功率放大系统的全技术链条，成功将国产2-3μm波段飞秒激光输出功率推升至10W量级，为中红外超快激光在分子指纹光谱探测、精密光学计量及高端超快光谱等前沿领域的规模化应用奠定了核心光源基础，有力推动了国产中红外激光增益介质及超快激光系统的自主化发展。
系列相关工作得到同济大学、意大利米兰理工大学、湘潭大学、北京理工大学等多方合作支持，并获中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、率先行动引才计划及上海市浦江人才计划等项目资助。
图1 Cr:ZnS/ZnSe制备工艺流程与Cr:ZnS、Cr:ZnSe棒状多晶材料
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