智能助手
成功交付 | 2 mJ 高能量飞秒 + 宽带可调中红外 OPA 赋能国家级科研平台超快振动光谱前沿
2026.09.16
一、应用价值：中红外飞秒脉冲为什么是振动光谱的"钥匙"
分子并不是静止的"球棍模型"。化学键在不停地伸缩、弯曲与扭转，这些振动的量子化能级间隔恰好落在中红外（MIR，约 2.5 – 25 μm，即 4000 – 400 cm⁻¹）。其中 1500 – 4000 cm⁻¹ 为官能团区（group-frequency region）：O-H 伸缩（约 3200 – 3650 cm⁻¹ / 2.7 – 3.1 μm）、N-H 伸缩（约 3300 – 3500 cm⁻¹）、C-H 伸缩（约 2850 – 3100 cm⁻¹ / 3.2 – 3.5 μm）、S-H 伸缩（约 2550 cm⁻¹）、CO₂ 反对称伸缩（2349 cm⁻¹ / 4.26 μm）、C≡N 伸缩（约 2210 – 2260 cm⁻¹ / 4.4 – 4.5 μm）都在这里；500 – 1500 cm⁻¹（约 6.7 – 20 μm）则是分子指纹区（fingerprint region），骨架振动耦合强烈，每种分子都有独一无二的谱型。
稳态 FTIR 只能告诉我们"有哪些键"；把时间分辨推进到飞秒量级，才能看到"键在怎么动"——氢键网络的重组、振动能量的分子内再分配（IVR）、溶剂化壳层的涨落、激发态上的结构弛豫。这就是超快振动光谱：中红外泵浦-探测（IR pump-probe）、二维红外光谱（2D-IR）、时间分辨红外（TRIR）、振动和频光谱（VSFG）。它们共同的前提，是一台能稳定输出宽带可调中红外飞秒脉冲的光源。
中红外飞秒脉冲最成熟的获得方式，是用 1 μm 波段的高能量飞秒激光器泵浦光参量放大器（OPA）：在非线性晶体中，一个泵浦光子分裂为 Signal 与 Idler 两个光子，满足能量守恒 ω_p = ω_s + ω_i；Idler 本质上正是泵浦与 Signal 的差频产生（DFG）产物，ω_i = ω_p − ω_s。旋转晶体改变相位匹配角，就能让 Idler 在中红外连续移动。要把这件事做好，驱动源与 OPA 必须同时跨过六道门槛：
▪ 门槛 1 · mJ 级单脉冲能量：1 μm → 4 μm 的量子亏损超过 70 %，中红外光子通量天然"缩水"，泵浦端必须有 ≥ 1.5 mJ 的能量预算。
▪ 门槛 2 · 百飞秒级脉宽与 GW 级峰值功率：参量增益随泵浦光强指数增长，脉宽越短、峰值功率越高，同等能量下的增益与转换效率越高。
▪ 门槛 3 · 多档重频可切换：2D-IR 需要高单脉冲能量，快速扫描的泵浦-探测需要高重频提升统计信噪比，10 / 50 / 100 kHz 三档兼顾两者。
▪ 门槛 4 · 长时功率与指向稳定性：OPA 是非线性过程，会把泵浦功率抖动放大约一个数量级；泵浦端必须做到 < 0.1 % RMS 级功率稳定性与 < 15 μrad 级指向稳定性。
▪ 门槛 5 · 近衍射极限光束质量：M² 直接决定晶体内的相位匹配均匀性与泵浦-种子空间重叠，M² < 1.15 是高效率参量放大的前提。
▪ 门槛 6 · 宽带连续可调 + 足够中红外通量：1.35 – 4.5 μm 连续覆盖 X-H 伸缩振动与 CO₂ / C≡N 等探针振动带，且在 3 – 4 μm 仍需百 mW 级功率。
镱镭飞秒本次交付的 HELIOS-20W-HE + AURORA-IR-HE 组合，正是围绕这六道门槛逐项设计的中红外飞秒系统。
二、成功交付：一台 2 mJ 主机，点亮 1.35 – 4.5 μm 中红外飞秒全谱段
1.客户类型
某国家级科研平台 · 中红外飞秒振动光谱前沿研究组。该研究组长期从事分子振动动力学、氢键网络与溶剂化动力学、界面催化与能源材料的超快光谱研究，需要一套单脉冲能量充足、宽带可调、可 24 h 连续运行的中红外飞秒光源，作为泵浦-探测与二维红外实验的共享光源（shared source）。
2.交付内容
▪ HELIOS-20W-HE 高能量飞秒激光器（主机）：Yb 全固态 CPA 架构，中心波长约 1036 nm，10 / 50 / 100 kHz 三档重频，10 kHz 下 21.1 W / 2.11 mJ / 234.2 fs，水冷。
▪ AURORA-IR-HE 宽带可调中红外 OPA：18 W / 1.8 mJ @ 10 kHz 泵浦，Signal 1350 – 2100 nm、Idler 约 2045 – 4450 nm 连续调谐，Signal / Idler 正交偏振输出，二色镜分光。
▪ 现场对齐：主机与 OPA 的光高、偏振、注入光斑与指向在客户实验台上完成闭环对齐。
▪ 性能复测：到货后对主机功率、脉宽、光谱与 OPA 关键波长输出功率进行现场复测，与出厂数据逐项对照。
▪ 操作培训：覆盖开关机流程、OPA 波长调谐、中红外光路安全与日常维护。
▪ 全周期支持：质保期内远程诊断 + 应用工程师技术支持，覆盖后续光路扩展与升级规划。
3.覆盖的核心研究方向
▪ 超快振动光谱 · 氢键动力学：Idler 覆盖 O-H / N-H 伸缩振动带（2.7 – 3.1 μm），研究水与醇类氢键网络的飞秒重组。
▪ 二维红外光谱（2D-IR）：HOD / H₂O 体系（H₂O 中稀释的 HOD）O-D 伸缩带（约 2500 cm⁻¹ / 4.0 μm）是经典 2D-IR 探针，AURORA-IR-HE 在 4.0 μm 处仍输出 115 mW。
▪ 中红外飞秒脉冲泵浦-探测：C-H 伸缩带（3.2 – 3.5 μm，Idler 功率 490 – 860 mW 量级）上的振动弛豫与 IVR 动力学。
▪ 差频产生 DFG 光谱探针：C≡N（4.4 – 4.5 μm）、CO₂（4.26 μm）等振动探针分子的局域电场与溶剂化动力学。
▪ 分子指纹识别的前置研究：官能团区时间分辨数据与稳态指纹区谱库联合，建立"官能团 → 指纹"的结构-动力学对应。
▪ 近红外泛频与材料光物理：Signal 1.35 – 2.1 μm 覆盖 C-H / O-H 一级泛频与窄带隙半导体、量子点带内跃迁。
三、为什么选了镱镭飞秒？
📍 2 mJ 级能量 + 三档重频一机兼顾：10 kHz / 2.11 mJ 用于高能量 OPA 泵浦，50 kHz / 428 μJ 与 100 kHz / 217 μJ 用于高重频实验，平均功率均在 21 W 以上。
📍 主机长稳是 OPA 稳定的物理底座：24 h 功率稳定性 0.06 % RMS、指向稳定性 10.6 μrad，OPA 在 1550 nm 处整夜连续监测稳定性 0.63 % RMS。
📍 中红外端真实可用：Idler 峰值 1930 mW @ 2149 nm，3.5 μm 仍有 492 mW，4.0 μm 仍有 115 mW，调谐下限延伸至 4.45 μm。
📍 Signal 转换效率 13.78 %：Signal + Idler 在 1750 / 2539 nm 工作点合计 3824 mW，对应约 21 % 的总参量转换效率。
📍 同源设计、统一标定：主机与 OPA 均为镱镭自研，泵浦能量、脉宽、光斑与偏振在出厂端统一标定，现场一次对齐到位。
四、【硬指标】
HELIOS-20W-HE 高能量飞秒激光器
注：功率与指向稳定性在 10 kHz 参数组下测得，长稳口径统一为 24 h；所有数据严格按主机出厂测试报告执行。
*优势 1 · 10 kHz 输出光谱：中心约 1036 nm，半高宽约 7.7 nm
飞秒脉冲的时间宽度受其光谱带宽的傅里叶极限约束。10 kHz 档光谱主体分布在约 1031 – 1044 nm，1034 – 1038 nm 之间呈现双峰形貌（峰位约 1035 nm 与 1037.5 nm），这是再生放大过程中增益窄化与光谱整形共同作用的结果；出厂报告给出的中心波长为 1036 nm、光谱半高宽约 7.7 nm。以 234.2 fs 的实测脉宽计算，时间-带宽积约 0.50，接近高斯型变换极限（0.441），说明压缩器的残余色散已被充分补偿。
*优势 2 · 50 / 100 kHz 输出光谱：切换重频，光谱中心保持稳定
提高重复频率后，单脉冲能量从 2.11 mJ 降至 428 μJ（50 kHz）与 217 μJ（100 kHz），放大器内的增益饱和状态与热负载分布随之改变，光谱形貌会出现细微差异；但出厂实测的中心波长分别为 1036.2 nm 与 1036.3 nm，与 10 kHz 档相差不超过 0.3 nm。对于下游 OPA 而言，这意味着切换重频后相位匹配角几乎无需重新标定。
*优势 3 · 10 kHz 自相关脉宽：234.2 fs，单脉冲能量 2.11 mJ
参量增益系数 Γ 与泵浦光强 I 的平方根成正比，而光强正比于单脉冲能量与脉宽之比。10 kHz 档实测脉宽 234.2 fs（FWHM），结合 2.11 mJ 的单脉冲能量，E/τ 估算的峰值功率约 9 GW——这是 AURORA-IR-HE 在 1.8 mJ 注入下实现 13.78 % Signal 转换效率的能量基础。自相关曲线两翼干净、无明显基座，表明脉冲能量集中在主峰内。
*优势 4 · 50 / 100 kHz 自相关脉宽：261.5 fs 与 265.1 fs
三档重频的压缩器位置在出厂时分别标定并最优化。50 kHz 与 100 kHz 档实测脉宽为 261.5 fs 与 265.1 fs，对应峰值功率约 1.6 GW 与 0.8 GW。高重频档更适合以统计平均换取信噪比的快速泵浦-探测实验：在相同采集时间内，100 kHz 的脉冲数是 10 kHz 的 10 倍，散粒噪声限制下信噪比约提升 √10 ≈ 3.2 倍。
*优势 5 · 24 h 功率稳定性：21.1 W · 0.06 % RMS
功率稳定性是中红外泵浦-探测实验最关键的"隐形指标"。泵浦-探测信号通常是 10⁻³ – 10⁻⁵ 量级的差分吸收 ΔA，而 OPA 的参量增益对泵浦光强高度非线性——泵浦端 0.1 % 的抖动在 Idler 端可被放大到约 1 % 量级。HELIOS-20W-HE 在 10 kHz 档经 50 min 热机后连续 24 h 监测，平均功率 21.1 W、RMS 波动仅 0.06 %（约 13 mW），曲线基线平直，无可见的周期性漂移或跳变。这让下游 OPA 可以支撑通宵级数据采集，而无需频繁重新归一化。
*优势 6 · 24 h 指向稳定性：10.6 μrad
OPA 中泵浦光与白光种子需要在晶体内实现微米级的空间重叠，泵浦指向漂移会直接转化为重叠效率下降与输出功率漂移；对于 2D-IR 与泵浦-探测实验，指向漂移还会改变样品处泵浦与探测光斑的相对位置。出厂测试以 500 mm 焦距透镜将光束聚焦到 WinCamD 相机上，24 h 内光斑质心 RMS 位移 5.3 μm，对应角度指向稳定性 10.6 μrad；图中上下两条曲线分别为两个正交方向的质心位置，全程仅有数 μm 量级的缓慢漂移。
AURORA-IR-HE 宽带可调中红外 OPA
AURORA-IR-HE 作为独立设备接收主机 10 kHz 输出，注入功率 18 W、单脉冲能量 1.8 mJ、脉宽 231.6 fs、水平线偏振。内部以白光超连续为种子，经多级参量放大输出 Signal 与 Idler；两路输出偏振正交（Signal 竖直、Idler 水平），并由二色镜（DM602 系列）分离。以下数据仅代表 OPA 输出端性能。
*优势 7 · Signal 调谐光谱：1350 – 2100 nm，16 个中心波长步进扫描
Signal 臂由相位匹配角决定输出波长。图 7 为 1350 – 2100 nm 范围内以约 50 nm 步长扫描得到的 16 条归一化光谱，峰形均为单峰、近似高斯，相邻波长之间无明显旁瓣或寄生峰，说明各调谐点的相位匹配条件单一、放大过程干净。Signal 覆盖 C-H 与 O-H 伸缩振动的一级泛频区（约 1.4 – 1.8 μm），也可作为窄带隙半导体与量子点带内跃迁的近红外泵浦。
*优势 8 · Idler 调谐光谱：2.1 – 3.7 μm 中红外飞秒脉冲
Idler 是参量过程中的差频产生（DFG）输出，λ_i = 1 / (1/λ_p − 1/λ_s)。例如 Signal 为 1750 nm 时，Idler 由能量守恒锁定在 2539 nm。图 8 展示了 2.1 – 3.7 μm 范围内 14 个中心波长的归一化光谱（Fastlite FTIR 测量），对应波数约 4760 – 2700 cm⁻¹，完整覆盖 O-H、N-H、C-H 伸缩振动带。中红外端光谱峰形保持对称，说明在大量子亏损条件下参量增益依然均匀，适合作为超快振动光谱的泵浦或探测光。
*优势 9 · 全谱段调谐功率曲线：1.35 – 4.5 μm
采用对数纵轴（1 – 4000 mW）同时呈现 Signal（洋红）与 Idler（紫色）输出功率。Signal 在 1450 – 2050 nm 形成约 1.4 – 2.5 W 的平台，峰值 2480 mW @ 1750 nm（转换效率 13.78 %）；Idler 在 2.1 – 2.7 μm 保持约 1.1 – 2.0 W，在 2.8 – 3.6 μm 保持约 0.4 – 0.9 W，4.0 μm 为 115 mW，调谐终点 4.45 μm 为 9 mW。长波端功率下降有明确的物理来源：每个中红外光子能量更低（4 μm 光子仅约 0.31 eV，是 1036 nm 光子的约 1/4），同时参量增益带宽收窄、晶体在长波端的吸收增大。按 10 kHz 折算，3.5 μm 处单脉冲能量约 49 μJ，足以驱动大多数中红外泵浦-探测实验。
*优势 10 · OPA 输出功率稳定性
OPA 输出稳定性由泵浦稳定性与参量过程的非线性放大共同决定。出厂报告在两处典型波长进行了整夜连续监测：1550 nm（Signal）平均功率 2042 mW，RMS 0.63 %；4000 nm（Idler，中红外长波端）平均功率 110.9 mW，RMS 1.81 %。长波端波动略大，源于该处参量增益更接近阈值、对泵浦光强更敏感——这也从侧面说明主机 0.06 % RMS 的长稳对中红外端的重要性。
五、客户怎么说？
我们最看重的是中红外端"真正能用"的功率和整夜不漂的稳定性。现场复测 3.5 μm 仍有数百毫瓦，主机 24 h 基线几乎是一条直线——这让二维红外和泵浦-探测实验可以放心地跑通宵。从出厂标定到现场对齐，主机和 OPA 是同一支团队负责，接口参数一次到位，节省了大量调试时间。
本次交付是 HELIOS-20W-HE + AURORA-IR-HE 在"2 mJ 级主机 + 宽带可调中红外"场景下的又一标杆案例。它说明一件事：中红外 OPA 的上限，由主机决定。2.11 mJ 的能量预算决定了长波端的光子通量，0.06 % RMS 与 10.6 μrad 的长稳决定了 OPA 输出能否支撑通宵采集，M² ≤ 1.14 决定了参量放大的效率。围绕这套平台，镱镭的技术路线已经清晰可见：
▪ 向分子指纹区延伸：以 Signal 与 Idler 为输入，接入独立 DFG 设备，可把调谐范围推进到 5 – 16 μm，直接覆盖 500 – 1500 cm⁻¹ 指纹区与酰胺 I / II 带、金属羰基 C≡O 伸缩等关键探针。
▪ 电子激发 + 振动探测（TRIR）：接入独立 SHG / THG 设备，得到 518 nm / 345 nm 泵浦，激发 π-π* 跃迁与 MLCT、CT 态，再用中红外探测激发态上的结构演化。
▪ 更高时间分辨：HYPERION 系列多通池（MPC）可将主机脉宽压缩至数十飞秒量级，为 OPA 提供更宽带宽的泵浦，把振动相干动力学看得更清楚。
如果您正在筹建超快振动光谱 / 2D-IR / 中红外泵浦-探测 / TRIR / 分子指纹识别等实验平台，欢迎在后台留言，镱镭应用工程师将为您提供 1 对 1 选型与光路设计支持。
分子并不是静止的"球棍模型"。化学键在不停地伸缩、弯曲与扭转，这些振动的量子化能级间隔恰好落在中红外（MIR，约 2.5 – 25 μm，即 4000 – 400 cm⁻¹）。其中 1500 – 4000 cm⁻¹ 为官能团区（group-frequency region）：O-H 伸缩（约 3200 – 3650 cm⁻¹ / 2.7 – 3.1 μm）、N-H 伸缩（约 3300 – 3500 cm⁻¹）、C-H 伸缩（约 2850 – 3100 cm⁻¹ / 3.2 – 3.5 μm）、S-H 伸缩（约 2550 cm⁻¹）、CO₂ 反对称伸缩（2349 cm⁻¹ / 4.26 μm）、C≡N 伸缩（约 2210 – 2260 cm⁻¹ / 4.4 – 4.5 μm）都在这里；500 – 1500 cm⁻¹（约 6.7 – 20 μm）则是分子指纹区（fingerprint region），骨架振动耦合强烈，每种分子都有独一无二的谱型。
稳态 FTIR 只能告诉我们"有哪些键"；把时间分辨推进到飞秒量级，才能看到"键在怎么动"——氢键网络的重组、振动能量的分子内再分配（IVR）、溶剂化壳层的涨落、激发态上的结构弛豫。这就是超快振动光谱：中红外泵浦-探测（IR pump-probe）、二维红外光谱（2D-IR）、时间分辨红外（TRIR）、振动和频光谱（VSFG）。它们共同的前提，是一台能稳定输出宽带可调中红外飞秒脉冲的光源。
中红外飞秒脉冲最成熟的获得方式，是用 1 μm 波段的高能量飞秒激光器泵浦光参量放大器（OPA）：在非线性晶体中，一个泵浦光子分裂为 Signal 与 Idler 两个光子，满足能量守恒 ω_p = ω_s + ω_i；Idler 本质上正是泵浦与 Signal 的差频产生（DFG）产物，ω_i = ω_p − ω_s。旋转晶体改变相位匹配角，就能让 Idler 在中红外连续移动。要把这件事做好，驱动源与 OPA 必须同时跨过六道门槛：
▪ 门槛 1 · mJ 级单脉冲能量：1 μm → 4 μm 的量子亏损超过 70 %，中红外光子通量天然"缩水"，泵浦端必须有 ≥ 1.5 mJ 的能量预算。
▪ 门槛 2 · 百飞秒级脉宽与 GW 级峰值功率：参量增益随泵浦光强指数增长，脉宽越短、峰值功率越高，同等能量下的增益与转换效率越高。
▪ 门槛 3 · 多档重频可切换：2D-IR 需要高单脉冲能量，快速扫描的泵浦-探测需要高重频提升统计信噪比，10 / 50 / 100 kHz 三档兼顾两者。
▪ 门槛 4 · 长时功率与指向稳定性：OPA 是非线性过程，会把泵浦功率抖动放大约一个数量级；泵浦端必须做到 < 0.1 % RMS 级功率稳定性与 < 15 μrad 级指向稳定性。
▪ 门槛 5 · 近衍射极限光束质量：M² 直接决定晶体内的相位匹配均匀性与泵浦-种子空间重叠，M² < 1.15 是高效率参量放大的前提。
▪ 门槛 6 · 宽带连续可调 + 足够中红外通量：1.35 – 4.5 μm 连续覆盖 X-H 伸缩振动与 CO₂ / C≡N 等探针振动带，且在 3 – 4 μm 仍需百 mW 级功率。
镱镭飞秒本次交付的 HELIOS-20W-HE + AURORA-IR-HE 组合，正是围绕这六道门槛逐项设计的中红外飞秒系统。
二、成功交付：一台 2 mJ 主机，点亮 1.35 – 4.5 μm 中红外飞秒全谱段
1.客户类型
某国家级科研平台 · 中红外飞秒振动光谱前沿研究组。该研究组长期从事分子振动动力学、氢键网络与溶剂化动力学、界面催化与能源材料的超快光谱研究，需要一套单脉冲能量充足、宽带可调、可 24 h 连续运行的中红外飞秒光源，作为泵浦-探测与二维红外实验的共享光源（shared source）。
2.交付内容
▪ HELIOS-20W-HE 高能量飞秒激光器（主机）：Yb 全固态 CPA 架构，中心波长约 1036 nm，10 / 50 / 100 kHz 三档重频，10 kHz 下 21.1 W / 2.11 mJ / 234.2 fs，水冷。
▪ AURORA-IR-HE 宽带可调中红外 OPA：18 W / 1.8 mJ @ 10 kHz 泵浦，Signal 1350 – 2100 nm、Idler 约 2045 – 4450 nm 连续调谐，Signal / Idler 正交偏振输出，二色镜分光。
▪ 现场对齐：主机与 OPA 的光高、偏振、注入光斑与指向在客户实验台上完成闭环对齐。
▪ 性能复测：到货后对主机功率、脉宽、光谱与 OPA 关键波长输出功率进行现场复测，与出厂数据逐项对照。
▪ 操作培训：覆盖开关机流程、OPA 波长调谐、中红外光路安全与日常维护。
▪ 全周期支持：质保期内远程诊断 + 应用工程师技术支持，覆盖后续光路扩展与升级规划。
3.覆盖的核心研究方向
▪ 超快振动光谱 · 氢键动力学：Idler 覆盖 O-H / N-H 伸缩振动带（2.7 – 3.1 μm），研究水与醇类氢键网络的飞秒重组。
▪ 二维红外光谱（2D-IR）：HOD / H₂O 体系（H₂O 中稀释的 HOD）O-D 伸缩带（约 2500 cm⁻¹ / 4.0 μm）是经典 2D-IR 探针，AURORA-IR-HE 在 4.0 μm 处仍输出 115 mW。
▪ 中红外飞秒脉冲泵浦-探测：C-H 伸缩带（3.2 – 3.5 μm，Idler 功率 490 – 860 mW 量级）上的振动弛豫与 IVR 动力学。
▪ 差频产生 DFG 光谱探针：C≡N（4.4 – 4.5 μm）、CO₂（4.26 μm）等振动探针分子的局域电场与溶剂化动力学。
▪ 分子指纹识别的前置研究：官能团区时间分辨数据与稳态指纹区谱库联合，建立"官能团 → 指纹"的结构-动力学对应。
▪ 近红外泛频与材料光物理：Signal 1.35 – 2.1 μm 覆盖 C-H / O-H 一级泛频与窄带隙半导体、量子点带内跃迁。
三、为什么选了镱镭飞秒？
📍 2 mJ 级能量 + 三档重频一机兼顾：10 kHz / 2.11 mJ 用于高能量 OPA 泵浦，50 kHz / 428 μJ 与 100 kHz / 217 μJ 用于高重频实验，平均功率均在 21 W 以上。
📍 主机长稳是 OPA 稳定的物理底座：24 h 功率稳定性 0.06 % RMS、指向稳定性 10.6 μrad，OPA 在 1550 nm 处整夜连续监测稳定性 0.63 % RMS。
📍 中红外端真实可用：Idler 峰值 1930 mW @ 2149 nm，3.5 μm 仍有 492 mW，4.0 μm 仍有 115 mW，调谐下限延伸至 4.45 μm。
📍 Signal 转换效率 13.78 %：Signal + Idler 在 1750 / 2539 nm 工作点合计 3824 mW，对应约 21 % 的总参量转换效率。
📍 同源设计、统一标定：主机与 OPA 均为镱镭自研，泵浦能量、脉宽、光斑与偏振在出厂端统一标定，现场一次对齐到位。
四、【硬指标】
HELIOS-20W-HE 高能量飞秒激光器
| 项目 | 10 kHz | 50 kHz | 100 kHz |
| 中心波长 | 1036 nm | 1036.2 nm | 1036.3 nm |
| 脉冲宽度（FWHM） | 234.2 fs | 261.5 fs | 265.1 fs |
| 单脉冲能量 | 2.11 mJ | 428 μJ | 217 μJ |
| 平均功率 | 21.1 W | 21.3 W | 21.7 W |
| 峰值功率（E/τ 估算） | ≈ 9.0 GW | ≈ 1.6 GW | ≈ 0.8 GW |
| 光束质量 M²（x / y） | 1.111 / 1.139 | 1.095 / 1.124 | 1.093 / 1.131 |
| 光束直径（距出光口约 1 m） | 5.8 mm | 6.2 mm | 6.3 mm |
| 24 h 功率稳定性 | 0.06 % RMS | ||
| 24 h 指向稳定性 | 10.6 μrad | ||
| 偏振 / 光高 / 冷却 | 线偏振 / 224 mm / 水冷 | ||
注：功率与指向稳定性在 10 kHz 参数组下测得，长稳口径统一为 24 h；所有数据严格按主机出厂测试报告执行。
*优势 1 · 10 kHz 输出光谱：中心约 1036 nm，半高宽约 7.7 nm
飞秒脉冲的时间宽度受其光谱带宽的傅里叶极限约束。10 kHz 档光谱主体分布在约 1031 – 1044 nm，1034 – 1038 nm 之间呈现双峰形貌（峰位约 1035 nm 与 1037.5 nm），这是再生放大过程中增益窄化与光谱整形共同作用的结果；出厂报告给出的中心波长为 1036 nm、光谱半高宽约 7.7 nm。以 234.2 fs 的实测脉宽计算，时间-带宽积约 0.50，接近高斯型变换极限（0.441），说明压缩器的残余色散已被充分补偿。
*优势 2 · 50 / 100 kHz 输出光谱：切换重频，光谱中心保持稳定
提高重复频率后，单脉冲能量从 2.11 mJ 降至 428 μJ（50 kHz）与 217 μJ（100 kHz），放大器内的增益饱和状态与热负载分布随之改变，光谱形貌会出现细微差异；但出厂实测的中心波长分别为 1036.2 nm 与 1036.3 nm，与 10 kHz 档相差不超过 0.3 nm。对于下游 OPA 而言，这意味着切换重频后相位匹配角几乎无需重新标定。
 |
 |
 |
| 图 1 ｜ HELIOS-20W-HE · 10 kHz 输出光谱 · 中心波长约 1036 nm |
图 2 ｜ HELIOS-20W-HE · 50 kHz 输出光谱 · 中心波长约 1036.2 nm |
图 3 ｜ HELIOS-20W-HE · 100 kHz 输出光谱 · 中心波长约 1036.3 nm |
*优势 3 · 10 kHz 自相关脉宽：234.2 fs，单脉冲能量 2.11 mJ
参量增益系数 Γ 与泵浦光强 I 的平方根成正比，而光强正比于单脉冲能量与脉宽之比。10 kHz 档实测脉宽 234.2 fs（FWHM），结合 2.11 mJ 的单脉冲能量，E/τ 估算的峰值功率约 9 GW——这是 AURORA-IR-HE 在 1.8 mJ 注入下实现 13.78 % Signal 转换效率的能量基础。自相关曲线两翼干净、无明显基座，表明脉冲能量集中在主峰内。
*优势 4 · 50 / 100 kHz 自相关脉宽：261.5 fs 与 265.1 fs
三档重频的压缩器位置在出厂时分别标定并最优化。50 kHz 与 100 kHz 档实测脉宽为 261.5 fs 与 265.1 fs，对应峰值功率约 1.6 GW 与 0.8 GW。高重频档更适合以统计平均换取信噪比的快速泵浦-探测实验：在相同采集时间内，100 kHz 的脉冲数是 10 kHz 的 10 倍，散粒噪声限制下信噪比约提升 √10 ≈ 3.2 倍。
 |
 |
 |
| 图 4 ｜ HELIOS-20W-HE · 10 kHz 自相关曲线 · 脉宽 234.2 fs（FWHM） |
图 5 | HELIOS-20W-HE · 50 kHz 自相关曲线 · 脉宽 261.5 fs（FWHM） |
图 6 | HELIOS-20W-HE · 100 kHz 自相关曲线 · 脉宽 265.1 fs（FWHM） |
*优势 5 · 24 h 功率稳定性：21.1 W · 0.06 % RMS
功率稳定性是中红外泵浦-探测实验最关键的"隐形指标"。泵浦-探测信号通常是 10⁻³ – 10⁻⁵ 量级的差分吸收 ΔA，而 OPA 的参量增益对泵浦光强高度非线性——泵浦端 0.1 % 的抖动在 Idler 端可被放大到约 1 % 量级。HELIOS-20W-HE 在 10 kHz 档经 50 min 热机后连续 24 h 监测，平均功率 21.1 W、RMS 波动仅 0.06 %（约 13 mW），曲线基线平直，无可见的周期性漂移或跳变。这让下游 OPA 可以支撑通宵级数据采集，而无需频繁重新归一化。
*优势 6 · 24 h 指向稳定性：10.6 μrad
OPA 中泵浦光与白光种子需要在晶体内实现微米级的空间重叠，泵浦指向漂移会直接转化为重叠效率下降与输出功率漂移；对于 2D-IR 与泵浦-探测实验，指向漂移还会改变样品处泵浦与探测光斑的相对位置。出厂测试以 500 mm 焦距透镜将光束聚焦到 WinCamD 相机上，24 h 内光斑质心 RMS 位移 5.3 μm，对应角度指向稳定性 10.6 μrad；图中上下两条曲线分别为两个正交方向的质心位置，全程仅有数 μm 量级的缓慢漂移。
 |
 |
| 图 7 ｜ HELIOS-20W-HE · 10 kHz 24 h 功率稳定性 · 平均 21.1 W · 0.06 % RMS | 图 8 | HELIOS-20W-HE · 10 kHz 24 h 指向稳定性 · 10.6 μrad |
AURORA-IR-HE 宽带可调中红外 OPA
AURORA-IR-HE 作为独立设备接收主机 10 kHz 输出，注入功率 18 W、单脉冲能量 1.8 mJ、脉宽 231.6 fs、水平线偏振。内部以白光超连续为种子，经多级参量放大输出 Signal 与 Idler；两路输出偏振正交（Signal 竖直、Idler 水平），并由二色镜（DM602 系列）分离。以下数据仅代表 OPA 输出端性能。
| 项目 | 实测值 | 备注 |
| 调谐输出波长范围 | 1350 – 4500 nm | 约 7400 – 2220 cm⁻¹ |
| Signal 调谐范围 | 1350 – 2100 nm | Signal 竖直线偏振 |
| Idler 调谐范围 | 约 2045 – 4454 nm | Idler 水平线偏振（DFG 输出） |
| 泵浦参数 | 18 W / 1.8 mJ / 10 kHz | 231.6 fs @ 1036 nm |
| Signal 峰值 | 2480 mW @ 1750 nm | 转换效率 13.78 % |
| Idler 峰值 | 1930 mW @ 2149 nm | 转换效率 10.72 % |
| Idler @ 3.0 μm 附近 | 860 mW @ 2939 nm | 764 mW @ 3124 nm |
| Idler @ 3.5 μm | 492 mW @ 3500 nm | 约 49 μJ / 脉冲 |
| Idler @ 4.0 μm | 115 mW @ 4000 nm | 约 11.5 μJ / 脉冲 |
| 功率稳定性 @ 1550 nm | 0.63 % RMS | 整夜连续监测 |
| 功率稳定性 @ 4000 nm | 1.81 % RMS | 整夜连续监测 |
*优势 7 · Signal 调谐光谱：1350 – 2100 nm，16 个中心波长步进扫描
Signal 臂由相位匹配角决定输出波长。图 7 为 1350 – 2100 nm 范围内以约 50 nm 步长扫描得到的 16 条归一化光谱，峰形均为单峰、近似高斯，相邻波长之间无明显旁瓣或寄生峰，说明各调谐点的相位匹配条件单一、放大过程干净。Signal 覆盖 C-H 与 O-H 伸缩振动的一级泛频区（约 1.4 – 1.8 μm），也可作为窄带隙半导体与量子点带内跃迁的近红外泵浦。
*优势 8 · Idler 调谐光谱：2.1 – 3.7 μm 中红外飞秒脉冲
Idler 是参量过程中的差频产生（DFG）输出，λ_i = 1 / (1/λ_p − 1/λ_s)。例如 Signal 为 1750 nm 时，Idler 由能量守恒锁定在 2539 nm。图 8 展示了 2.1 – 3.7 μm 范围内 14 个中心波长的归一化光谱（Fastlite FTIR 测量），对应波数约 4760 – 2700 cm⁻¹，完整覆盖 O-H、N-H、C-H 伸缩振动带。中红外端光谱峰形保持对称，说明在大量子亏损条件下参量增益依然均匀，适合作为超快振动光谱的泵浦或探测光。
 |
 |
| 图 9 | AURORA-IR-HE · Signal 输出调谐光谱 · 1350 – 2100 nm 步进扫描 | 图 10 | AURORA-IR-HE · Idler 输出调谐光谱 · 2.1 – 3.7 μm 步进扫描 |
*优势 9 · 全谱段调谐功率曲线：1.35 – 4.5 μm
采用对数纵轴（1 – 4000 mW）同时呈现 Signal（洋红）与 Idler（紫色）输出功率。Signal 在 1450 – 2050 nm 形成约 1.4 – 2.5 W 的平台，峰值 2480 mW @ 1750 nm（转换效率 13.78 %）；Idler 在 2.1 – 2.7 μm 保持约 1.1 – 2.0 W，在 2.8 – 3.6 μm 保持约 0.4 – 0.9 W，4.0 μm 为 115 mW，调谐终点 4.45 μm 为 9 mW。长波端功率下降有明确的物理来源：每个中红外光子能量更低（4 μm 光子仅约 0.31 eV，是 1036 nm 光子的约 1/4），同时参量增益带宽收窄、晶体在长波端的吸收增大。按 10 kHz 折算，3.5 μm 处单脉冲能量约 49 μJ，足以驱动大多数中红外泵浦-探测实验。
*优势 10 · OPA 输出功率稳定性
OPA 输出稳定性由泵浦稳定性与参量过程的非线性放大共同决定。出厂报告在两处典型波长进行了整夜连续监测：1550 nm（Signal）平均功率 2042 mW，RMS 0.63 %；4000 nm（Idler，中红外长波端）平均功率 110.9 mW，RMS 1.81 %。长波端波动略大，源于该处参量增益更接近阈值、对泵浦光强更敏感——这也从侧面说明主机 0.06 % RMS 的长稳对中红外端的重要性。
 |
 |
| 图 11 | AURORA-IR-HE · Signal + Idler 调谐功率曲线（对数纵轴）· 1.35 – 4.5 μm | 图 12 | AURORA-IR-HE · 24 h 功率稳定性 · 平均 20.4 W · 0.63 % RMS |
五、客户怎么说？
我们最看重的是中红外端"真正能用"的功率和整夜不漂的稳定性。现场复测 3.5 μm 仍有数百毫瓦，主机 24 h 基线几乎是一条直线——这让二维红外和泵浦-探测实验可以放心地跑通宵。从出厂标定到现场对齐，主机和 OPA 是同一支团队负责，接口参数一次到位，节省了大量调试时间。
—某高校超快非线性光学与光化学动力学研究组
六、总结本次交付是 HELIOS-20W-HE + AURORA-IR-HE 在"2 mJ 级主机 + 宽带可调中红外"场景下的又一标杆案例。它说明一件事：中红外 OPA 的上限，由主机决定。2.11 mJ 的能量预算决定了长波端的光子通量，0.06 % RMS 与 10.6 μrad 的长稳决定了 OPA 输出能否支撑通宵采集，M² ≤ 1.14 决定了参量放大的效率。围绕这套平台，镱镭的技术路线已经清晰可见：
▪ 向分子指纹区延伸：以 Signal 与 Idler 为输入，接入独立 DFG 设备，可把调谐范围推进到 5 – 16 μm，直接覆盖 500 – 1500 cm⁻¹ 指纹区与酰胺 I / II 带、金属羰基 C≡O 伸缩等关键探针。
▪ 电子激发 + 振动探测（TRIR）：接入独立 SHG / THG 设备，得到 518 nm / 345 nm 泵浦，激发 π-π* 跃迁与 MLCT、CT 态，再用中红外探测激发态上的结构演化。
▪ 更高时间分辨：HYPERION 系列多通池（MPC）可将主机脉宽压缩至数十飞秒量级，为 OPA 提供更宽带宽的泵浦，把振动相干动力学看得更清楚。
如果您正在筹建超快振动光谱 / 2D-IR / 中红外泵浦-探测 / TRIR / 分子指纹识别等实验平台，欢迎在后台留言，镱镭应用工程师将为您提供 1 对 1 选型与光路设计支持。