中红外激光技术研究进展

刘尊洋，卞进田，邵 立，汪亚夫，孙晓泉

(脉冲功率激光技术国家重点实验室电子工程学院，安徽合肥230037)

1 引言

中红外波段不仅是衰减最小的大气窗口，而且还覆盖了众多原子及分子的吸收峰，所以该波段激光在光谱学、遥感、医疗、通信及军事等诸多领域都有重要的应用价值和前景［1］。因此，中红外激光技术成为国内外激光工作者研究的热点。

中红外激光有多种产生方式，总体上可以分为线性和非线性两种。线性方法主要包括固体激光器、半导体量子级联激光器、自由电子激光器和化学激光器等;有非线性方法:如借助物质二阶非线性作用的光学倍频激光器和光参量技术激光器。本文将分别综述其基本特点和最新的研究进展。

2 线性方法产生中红外激光

2．1 固体中红外激光器

固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。固体激光器具有结构紧凑、小巧、牢固、灵活等优点，但由于掺杂离子的限制，固体激光器的输出波长多数在1～2 μm范围内，中红外固体激光技术一直以来发展缓慢。

近年来，人们发现了可以直接发出中红外激光的工作物质，如过渡族元素掺杂二元或三元硫族化合物［2－5］和 Dy3+∶PbGa2S4(Dy∶PGS)晶体［6］，大大促进了固体中红外激光器的发展。

2．1．1 过渡族元素掺杂二元或三元硫族化合物激光器

最近几年，掺过渡金属(如Cr2+或Fe2+)二元(如 ZnSe，ZnS，CdS，ZnSe) 和三元(如 Cd MnTe，CdZnTe，ZnSTe)硫族化合物因增益带宽宽(可达中心波长50%)，在中红外波段具有强而宽的吸收和发射带宽(如图1、图2所示)成为中红外激光技术研究的一个热点。从图2可以看出，Fe∶ZnSe在人们非常感兴趣的4～5 μm波段附近有较强的辐射能力。过渡族元素掺杂二元或三元硫族化合物激光器的最新研究进展如表1所示［2－5］。从表1可以看出，目前使用该技术已经可以实现平均功率十瓦级和单脉冲能量百毫焦的中红外激光输出。使用FeZnSe输出4．3 μm激光的主要问题是随温度升高效率严重降低以及难以获得高性能的3 μm泵浦源。

表1 过渡族元素掺杂二元或三元硫族化合物激光器研究进展［2－5］

2．1．2 Dy3+∶PbGa2S4激光器

Dy3+∶PbGa2S4(Dy∶PGS)是一种非常优秀的常温中红外激光工作物质［6］，Dy3+的能级图如图3所示，它具有宽的吸收谱带，且位于容易得到泵浦源的短波，吸收谱如图4所示，其在室温条件下，使用Er∶YLF泵浦时的光谱分布如图5所示。目前已能实现在4．3 μm输出功率高达160 mJ。并且在没有任何制冷条件下，在4．3 μm输出接近高斯分布的激光束，斜效率高达8%。Dy∶PGS激光器的最新研究进展列于表 2［6］。

表2 Dy∶PGS激光器的最新研究进展［6］

2．2 半导体量子级联激光器

半导体量子级联激光器(QCL)是基于电子在导带子能级间跃迁和共振声子辅助隧穿实现光激射的，其激射波长由有源区阱层和垒层的厚度决定而与材料带隙无关，理论预测可覆盖几个微米至250 μm以上很宽的波长范围，从根本上解决了自然界缺少带隙位于中远红外波段理想的半导体激光材料所导致的中远红外半导体激光领域研究长期处于停滞不前的状态［7］。QCL的级联效应允许一个电子产生多个光子，其光子数目等于QCL的级数，由此提高了量子效率。

1994年，瑞典科学家等人首次在(Science)上报道了第一个10 k下激射的4．6 μm QCL，其输出功率仅为8 mW。目前，已研制出波长覆盖2．63～360 μm 的单极型 QCL。表 3［7－9］给出了量子级联激光器产生中红外激光的进展。

目前量子级联激光器还存在一些问题，如工艺要求高，阈值电流密度大，工作温度低，输出功率小，光束质量差等，但是，随着科技的发展，中远红外QCL以它的小型、实时、远程、高分辨、高灵敏度、宽光谱范围连续单模调谐的优势，将在气候变化与环境污染在线实时监测、非侵入医学诊断、国土和社会安全、大气保密通信等应用方向和战略性新兴产业发挥重要的实用价值［7］。

表3 中红外量子级联激光器研究进展［7－9］

2．3 自由电子激光器

自由电子激光器是利用相对论电子束通过一个称为摇摆器的周期变化的横向磁感应场来与电磁辐射相互作用产生激光的装置。由于相对论电子束有很高的功率密度，工作介质又是自由电子，不存在击穿问题，因此自由电子激光器能产生很高的功率。自由电子激光器输出波长与电子束能量有关，容易连续调谐，工作的频率范围可以很宽，从厘米波到纳米波。自由电子激光器的缺点是体积庞大、价格昂贵。

Los Alomas实验室开发的先进自由电子激光器(AFEL)［10］占地面积 12．16 m ×21．28 m，主要有控制室、激光室和拱顶室组成。表4是AFEL装置首轮实验结果。

表4 AFEL装置首轮实验结果

由于自由电子激光器的波长容易调谐，适合气象环境多变导致“最佳大气窗口”多变的海上使用。2004年，杰弗逊国家实验室(JEFFERSON LAB)的自由电子激光器获得了14．2 kW(1．61 μm)发射功率的出光水平。2009年，美海军授权波音公司作为承包商，研制100 kW的舰载自由电子激光武器演示样机系统。预计2025年将实现舰载兆瓦级自由电子激光武器服役，主要用于拦截弹道导弹，其能力也可用于攻击临近空间飞行器和低轨卫星。

2．4 化学激光器

化学激光器靠化学反应提供能源，具有输出能量大和光束质量好的优点。1983年，美国建成了输出功率达2．2 MW的DF化学激光器MIRAC L(至今最大)［11］，光束质量达2倍衍射极限。1992年，ALPHA－II HF化学激光器将功率提高到5 MW，且光束质量接近衍射极限。表5为常用化学激光器的部分参数。

表5 化学激光器参数

化学激光器以其功率大、光束质量高等优点，受到各国激光武器研究人员的青睐，ALPHA－II被列入天基激光武器(IFX)计划，1997年进入ALI(ALPHA－LAMP)一体化试验阶段。整个预计IFX预计到2013年服役。1996年，美国开始和以色列联合研制战术高能激光武器系统(THEL)，多次在试验中成功跟踪与摧毁目标，后又研制机动 THEL(MTHEL)，主体都是DF化学激光器［12］。对于机载COIL，美国进行了有益的尝试。2010年2月12日，美国导弹防御局宣布，“机载激光器”(ABL)系统于11日成功击落一枚弹道导弹。

化学激光器的缺点是体积庞大，产生有毒的化学副产品，同时需要消耗费用昂贵的气体。

3 非线性方法产生中红外激光

3．1 倍频激光器

倍频激光器利用远红外脉冲CO2激光器倍频产生3～5 μm激光。能够用于CO2激光器倍频的晶体很多，晶体匹配方式分BPM和QPM两种，具体包括 Te，Ag3AsS3，AgGaS2，LiInSe2，GaAs 和 ZnSe 等多种，其中AgGaSe2能获得大尺寸单晶且红外波段透过率高，是目前国内外研究最多的倍频晶体［13］。

对于采用脉冲TEA CO2激光器泵浦AgGaSe2晶体获得中红外波段输出的技术而言，目前已见报道的各个单项最高指标为［14］:最高倍频转换效率56%;最大单脉冲倍频能量输出350 mJ;最高平均功率输出3．9 W。上述最佳指标分别是在完全不同的参数条件下获得的，尚未见在同一实验中达到上述指标的报道。2009年，中国长春光机所使用9．3 μm 倍频输出 4．6 μm 的实验，得到最大单脉冲能量12．9 mJ，平均功率940 mW，实验装置如图6所示［14］。

图6 激光倍频实验装置

3．2 光参量技术产生中红外激光

光参量技术能够产生宽光谱可调谐激光输出，并能将现有的激光波长转换到传统激光器无法达到的波段。随着性能优良抽运源和中红外非线性晶体技术的发展，OPO相继实现了从紫外到远红外的全波段调谐、从连续(CW)到超快飞秒的整个时间谱范围运转。固体光参量振荡激光器以其宽光谱调谐范围、高效率、高功率、高重复频率及小型化、固体化等特点在军事对抗、大气环境监测、光雷达以及光谱学研究等诸多领域有重要应用［15］。

目前能够用于中红外OPO的晶体有LiNbO3，LiIO3，KTP，ZnGP2和 AgCaS2等，图 7 为常用 OPO晶体输出连续或纳秒脉冲激光光谱覆盖范围［16］。本文主要介绍 ZGP和 LiNbO3两种晶体技术的进展。

图7 常用OPO晶体输出连续或纳秒脉冲激光光谱覆盖范围(完全填充部分为已经实现有效输出的光谱范围，阴影填充部分为由于多声子吸收出光效率较低的光谱范围。)

3．2．1 ZGP OPO

ZGP晶体具有非常高的非线性系数(75 pm/V)，在2～12 μm波段良好的透过性以及导热性等，所以成为了获取中红外激光输出的首选。由于ZGP对波长短于2 μm的激光吸收较强，国内外绝大部分的报道集中在利用波长大于2 μm激光泵浦ZGP OPO产生中红外激光输出。常用的泵浦方法主要有两种:一种是直接利用掺Tm，Ho的激光得到;另一种是使用级联激光器得到，如利用1．9 μm掺Tm激光泵浦掺Ho激光和利用1．06 μm激光泵浦KTP OPO或周期性极化晶体(PPKTP或PPLN)OPO。

目前，使用ZGP OPO产生中红外输出，在3～5 μm 波段输出达到12．6 W［17］，在 ZGP OPO 输出中红外激光后再级联光参量放大(OPA)器，单脉冲能量可以达到33 mJ［18］。表6和表7分别列举了近年来直接泵浦和级联泵浦ZGP OPO的研究进展情况。

表6 直接泵浦ZGP OPO研究进展

表7 级联泵浦ZGP OPO研究进展

3．2．2 PPLN/PPMgLN OPO

PPLN和准相位匹配(QPM)技术的迅速发展使PPLN OPO成为中红外OPO研究热点。由于掺MgO的PPLN晶体(PPMgLN)能显著提高抗激光损伤阈值，且可以有效降低晶体的极化矫顽场，PPMgLN成为实现QPM OPO最常见的铁电材料［26］。目前，PPLN/PPMgLN OPO 中红外输出功率在 2．73 μm 可以达到 36．7 W［27］。表 8 汇总了近年来国内外PPLN/PPMgLN OPO输出中红外激光的发展现状。

限制PPLN/PPMgLN的主要因素是，PPMgLN晶体加工厚度一般为0．5～1 mm，且损伤阈值较低，限制了泵浦功率水平，不易实现较高能量的输出，另外，LN晶体对波长长于3．8 μm的中红外激光吸收显著增大，且波长越长吸收越严重，限制了该波段大功率参量激光输出。目前，日本分子科学激光研究中心已经加工了厚度为3 mm和5 mm的PPMgLN晶体，随着PPMgLN晶体加工技术的发展，晶体厚度加大后，就有可能获得更高功率中红外激光输出。

表8 国内外PPLN/PPMgLN OPO输出中红外激光的发展现状

4 结论

综上所述，产生中红外激光的方法有很多种，各种红外激光器技术都有其特有的优势与局限，随着科技、工艺等的不断进步，上述技术都取得了较大的发展，部分技术已经在实际应用中发挥了重要的作用。另外，相对而言，在各种技术中，在小型化、全固化、窄线宽、室温运转、可调谐等方面具有重大优势的光参量技术已经成为当前研究的热点并将在其应用领域发挥更大的作用。

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