劉尊洋，卞進(jìn)田，邵 立，汪亞夫，孫曉泉

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子工程學(xué)院，安徽合肥230037)

1 引言

中紅外波段不僅是衰減最小的大氣窗口，而且還覆蓋了眾多原子及分子的吸收峰，所以該波段激光在光譜學(xué)、遙感、醫(yī)療、通信及軍事等諸多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景［1］。因此，中紅外激光技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外激光工作者研究的熱點(diǎn)。

中紅外激光有多種產(chǎn)生方式，總體上可以分為線性和非線性兩種。線性方法主要包括固體激光器、半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器、自由電子激光器和化學(xué)激光器等;有非線性方法:如借助物質(zhì)二階非線性作用的光學(xué)倍頻激光器和光參量技術(shù)激光器。本文將分別綜述其基本特點(diǎn)和最新的研究進(jìn)展。

2 線性方法產(chǎn)生中紅外激光

2．1 固體中紅外激光器

固體激光器是以摻雜的玻璃、晶體或透明陶瓷等固體材料為工作物質(zhì)的激光器。固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、小巧、牢固、靈活等優(yōu)點(diǎn)，但由于摻雜離子的限制，固體激光器的輸出波長(zhǎng)多數(shù)在1～2 μm范圍內(nèi)，中紅外固體激光技術(shù)一直以來(lái)發(fā)展緩慢。

近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了可以直接發(fā)出中紅外激光的工作物質(zhì)，如過(guò)渡族元素?fù)诫s二元或三元硫族化合物［2－5］和 Dy3+∶PbGa2S4(Dy∶PGS)晶體［6］，大大促進(jìn)了固體中紅外激光器的發(fā)展。

2．1．1 過(guò)渡族元素?fù)诫s二元或三元硫族化合物激光器

最近幾年，摻過(guò)渡金屬(如Cr2+或Fe2+)二元(如 ZnSe，ZnS，CdS，ZnSe) 和三元(如 Cd MnTe，CdZnTe，ZnSTe)硫族化合物因增益帶寬寬(可達(dá)中心波長(zhǎng)50%)，在中紅外波段具有強(qiáng)而寬的吸收和發(fā)射帶寬(如圖1、圖2所示)成為中紅外激光技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。從圖2可以看出，F(xiàn)e∶ZnSe在人們非常感興趣的4～5 μm波段附近有較強(qiáng)的輻射能力。過(guò)渡族元素?fù)诫s二元或三元硫族化合物激光器的最新研究進(jìn)展如表1所示［2－5］。從表1可以看出，目前使用該技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)平均功率十瓦級(jí)和單脈沖能量百毫焦的中紅外激光輸出。使用FeZnSe輸出4．3 μm激光的主要問(wèn)題是隨溫度升高效率嚴(yán)重降低以及難以獲得高性能的3 μm泵浦源。

表1 過(guò)渡族元素?fù)诫s二元或三元硫族化合物激光器研究進(jìn)展［2－5］

2．1．2 Dy3+∶PbGa2S4激光器

Dy3+∶PbGa2S4(Dy∶PGS)是一種非常優(yōu)秀的常溫中紅外激光工作物質(zhì)［6］，Dy3+的能級(jí)圖如圖3所示，它具有寬的吸收譜帶，且位于容易得到泵浦源的短波，吸收譜如圖4所示，其在室溫條件下，使用Er∶YLF泵浦時(shí)的光譜分布如圖5所示。目前已能實(shí)現(xiàn)在4．3 μm輸出功率高達(dá)160 mJ。并且在沒(méi)有任何制冷條件下，在4．3 μm輸出接近高斯分布的激光束，斜效率高達(dá)8%。Dy∶PGS激光器的最新研究進(jìn)展列于表 2［6］。

表2 Dy∶PGS激光器的最新研究進(jìn)展［6］

2．2 半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器

半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是基于電子在導(dǎo)帶子能級(jí)間躍遷和共振聲子輔助隧穿實(shí)現(xiàn)光激射的，其激射波長(zhǎng)由有源區(qū)阱層和壘層的厚度決定而與材料帶隙無(wú)關(guān)，理論預(yù)測(cè)可覆蓋幾個(gè)微米至250 μm以上很寬的波長(zhǎng)范圍，從根本上解決了自然界缺少帶隙位于中遠(yuǎn)紅外波段理想的半導(dǎo)體激光材料所導(dǎo)致的中遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光領(lǐng)域研究長(zhǎng)期處于停滯不前的狀態(tài)［7］。QCL的級(jí)聯(lián)效應(yīng)允許一個(gè)電子產(chǎn)生多個(gè)光子，其光子數(shù)目等于QCL的級(jí)數(shù)，由此提高了量子效率。

1994年，瑞典科學(xué)家等人首次在(Science)上報(bào)道了第一個(gè)10 k下激射的4．6 μm QCL，其輸出功率僅為8 mW。目前，已研制出波長(zhǎng)覆蓋2．63～360 μm 的單極型 QCL。表 3［7－9］給出了量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)生中紅外激光的進(jìn)展。

目前量子級(jí)聯(lián)激光器還存在一些問(wèn)題，如工藝要求高，閾值電流密度大，工作溫度低，輸出功率小，光束質(zhì)量差等，但是，隨著科技的發(fā)展，中遠(yuǎn)紅外QCL以它的小型、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、高分辨、高靈敏度、寬光譜范圍連續(xù)單模調(diào)諧的優(yōu)勢(shì)，將在氣候變化與環(huán)境污染在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、非侵入醫(yī)學(xué)診斷、國(guó)土和社會(huì)安全、大氣保密通信等應(yīng)用方向和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要的實(shí)用價(jià)值［7］。

表3 中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器研究進(jìn)展［7－9］

2．3 自由電子激光器

自由電子激光器是利用相對(duì)論電子束通過(guò)一個(gè)稱為搖擺器的周期變化的橫向磁感應(yīng)場(chǎng)來(lái)與電磁輻射相互作用產(chǎn)生激光的裝置。由于相對(duì)論電子束有很高的功率密度，工作介質(zhì)又是自由電子，不存在擊穿問(wèn)題，因此自由電子激光器能產(chǎn)生很高的功率。自由電子激光器輸出波長(zhǎng)與電子束能量有關(guān)，容易連續(xù)調(diào)諧，工作的頻率范圍可以很寬，從厘米波到納米波。自由電子激光器的缺點(diǎn)是體積龐大、價(jià)格昂貴。

Los Alomas實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的先進(jìn)自由電子激光器(AFEL)［10］占地面積 12．16 m ×21．28 m，主要有控制室、激光室和拱頂室組成。表4是AFEL裝置首輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4 AFEL裝置首輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于自由電子激光器的波長(zhǎng)容易調(diào)諧，適合氣象環(huán)境多變導(dǎo)致“最佳大氣窗口”多變的海上使用。2004年，杰弗遜國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(JEFFERSON LAB)的自由電子激光器獲得了14．2 kW(1．61 μm)發(fā)射功率的出光水平。2009年，美海軍授權(quán)波音公司作為承包商，研制100 kW的艦載自由電子激光武器演示樣機(jī)系統(tǒng)。預(yù)計(jì)2025年將實(shí)現(xiàn)艦載兆瓦級(jí)自由電子激光武器服役，主要用于攔截彈道導(dǎo)彈，其能力也可用于攻擊臨近空間飛行器和低軌衛(wèi)星。

2．4 化學(xué)激光器

化學(xué)激光器靠化學(xué)反應(yīng)提供能源，具有輸出能量大和光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。1983年，美國(guó)建成了輸出功率達(dá)2．2 MW的DF化學(xué)激光器MIRAC L(至今最大)［11］，光束質(zhì)量達(dá)2倍衍射極限。1992年，ALPHA－II HF化學(xué)激光器將功率提高到5 MW，且光束質(zhì)量接近衍射極限。表5為常用化學(xué)激光器的部分參數(shù)。

表5 化學(xué)激光器參數(shù)

化學(xué)激光器以其功率大、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)激光武器研究人員的青睞，ALPHA－II被列入天基激光武器(IFX)計(jì)劃，1997年進(jìn)入ALI(ALPHA－LAMP)一體化試驗(yàn)階段。整個(gè)預(yù)計(jì)IFX預(yù)計(jì)到2013年服役。1996年，美國(guó)開(kāi)始和以色列聯(lián)合研制戰(zhàn)術(shù)高能激光武器系統(tǒng)(THEL)，多次在試驗(yàn)中成功跟蹤與摧毀目標(biāo)，后又研制機(jī)動(dòng) THEL(MTHEL)，主體都是DF化學(xué)激光器［12］。對(duì)于機(jī)載COIL，美國(guó)進(jìn)行了有益的嘗試。2010年2月12日，美國(guó)導(dǎo)彈防御局宣布，“機(jī)載激光器”(ABL)系統(tǒng)于11日成功擊落一枚彈道導(dǎo)彈。

化學(xué)激光器的缺點(diǎn)是體積龐大，產(chǎn)生有毒的化學(xué)副產(chǎn)品，同時(shí)需要消耗費(fèi)用昂貴的氣體。

3 非線性方法產(chǎn)生中紅外激光

3．1 倍頻激光器

倍頻激光器利用遠(yuǎn)紅外脈沖CO2激光器倍頻產(chǎn)生3～5 μm激光。能夠用于CO2激光器倍頻的晶體很多，晶體匹配方式分BPM和QPM兩種，具體包括 Te，Ag3AsS3，AgGaS2，LiInSe2，GaAs 和 ZnSe 等多種，其中AgGaSe2能獲得大尺寸單晶且紅外波段透過(guò)率高，是目前國(guó)內(nèi)外研究最多的倍頻晶體［13］。

對(duì)于采用脈沖TEA CO2激光器泵浦AgGaSe2晶體獲得中紅外波段輸出的技術(shù)而言，目前已見(jiàn)報(bào)道的各個(gè)單項(xiàng)最高指標(biāo)為［14］:最高倍頻轉(zhuǎn)換效率56%;最大單脈沖倍頻能量輸出350 mJ;最高平均功率輸出3．9 W。上述最佳指標(biāo)分別是在完全不同的參數(shù)條件下獲得的，尚未見(jiàn)在同一實(shí)驗(yàn)中達(dá)到上述指標(biāo)的報(bào)道。2009年，中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所使用9．3 μm 倍頻輸出 4．6 μm 的實(shí)驗(yàn)，得到最大單脈沖能量12．9 mJ，平均功率940 mW，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示［14］。

圖6 激光倍頻實(shí)驗(yàn)裝置

3．2 光參量技術(shù)產(chǎn)生中紅外激光

光參量技術(shù)能夠產(chǎn)生寬光譜可調(diào)諧激光輸出，并能將現(xiàn)有的激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到傳統(tǒng)激光器無(wú)法達(dá)到的波段。隨著性能優(yōu)良抽運(yùn)源和中紅外非線性晶體技術(shù)的發(fā)展，OPO相繼實(shí)現(xiàn)了從紫外到遠(yuǎn)紅外的全波段調(diào)諧、從連續(xù)(CW)到超快飛秒的整個(gè)時(shí)間譜范圍運(yùn)轉(zhuǎn)。固體光參量振蕩激光器以其寬光譜調(diào)諧范圍、高效率、高功率、高重復(fù)頻率及小型化、固體化等特點(diǎn)在軍事對(duì)抗、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、光雷達(dá)以及光譜學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用［15］。

目前能夠用于中紅外OPO的晶體有LiNbO3，LiIO3，KTP，ZnGP2和 AgCaS2等，圖 7 為常用 OPO晶體輸出連續(xù)或納秒脈沖激光光譜覆蓋范圍［16］。本文主要介紹 ZGP和 LiNbO3兩種晶體技術(shù)的進(jìn)展。

圖7 常用OPO晶體輸出連續(xù)或納秒脈沖激光光譜覆蓋范圍(完全填充部分為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)有效輸出的光譜范圍，陰影填充部分為由于多聲子吸收出光效率較低的光譜范圍。)

3．2．1 ZGP OPO

ZGP晶體具有非常高的非線性系數(shù)(75 pm/V)，在2～12 μm波段良好的透過(guò)性以及導(dǎo)熱性等，所以成為了獲取中紅外激光輸出的首選。由于ZGP對(duì)波長(zhǎng)短于2 μm的激光吸收較強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外絕大部分的報(bào)道集中在利用波長(zhǎng)大于2 μm激光泵浦ZGP OPO產(chǎn)生中紅外激光輸出。常用的泵浦方法主要有兩種:一種是直接利用摻Tm，Ho的激光得到;另一種是使用級(jí)聯(lián)激光器得到，如利用1．9 μm摻Tm激光泵浦摻Ho激光和利用1．06 μm激光泵浦KTP OPO或周期性極化晶體(PPKTP或PPLN)OPO。

目前，使用ZGP OPO產(chǎn)生中紅外輸出，在3～5 μm 波段輸出達(dá)到12．6 W［17］，在 ZGP OPO 輸出中紅外激光后再級(jí)聯(lián)光參量放大(OPA)器，單脈沖能量可以達(dá)到33 mJ［18］。表6和表7分別列舉了近年來(lái)直接泵浦和級(jí)聯(lián)泵浦ZGP OPO的研究進(jìn)展情況。

表6 直接泵浦ZGP OPO研究進(jìn)展

表7 級(jí)聯(lián)泵浦ZGP OPO研究進(jìn)展

3．2．2 PPLN/PPMgLN OPO

PPLN和準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)的迅速發(fā)展使PPLN OPO成為中紅外OPO研究熱點(diǎn)。由于摻MgO的PPLN晶體(PPMgLN)能顯著提高抗激光損傷閾值，且可以有效降低晶體的極化矯頑場(chǎng)，PPMgLN成為實(shí)現(xiàn)QPM OPO最常見(jiàn)的鐵電材料［26］。目前，PPLN/PPMgLN OPO 中紅外輸出功率在 2．73 μm 可以達(dá)到 36．7 W［27］。表 8 匯總了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外PPLN/PPMgLN OPO輸出中紅外激光的發(fā)展現(xiàn)狀。

限制PPLN/PPMgLN的主要因素是，PPMgLN晶體加工厚度一般為0．5～1 mm，且損傷閾值較低，限制了泵浦功率水平，不易實(shí)現(xiàn)較高能量的輸出，另外，LN晶體對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)于3．8 μm的中紅外激光吸收顯著增大，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)吸收越嚴(yán)重，限制了該波段大功率參量激光輸出。目前，日本分子科學(xué)激光研究中心已經(jīng)加工了厚度為3 mm和5 mm的PPMgLN晶體，隨著PPMgLN晶體加工技術(shù)的發(fā)展，晶體厚度加大后，就有可能獲得更高功率中紅外激光輸出。

表8 國(guó)內(nèi)外PPLN/PPMgLN OPO輸出中紅外激光的發(fā)展現(xiàn)狀

4 結(jié)論

綜上所述，產(chǎn)生中紅外激光的方法有很多種，各種紅外激光器技術(shù)都有其特有的優(yōu)勢(shì)與局限，隨著科技、工藝等的不斷進(jìn)步，上述技術(shù)都取得了較大的發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用。另外，相對(duì)而言，在各種技術(shù)中，在小型化、全固化、窄線寬、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)、可調(diào)諧等方面具有重大優(yōu)勢(shì)的光參量技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)并將在其應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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