中紅外激光技術研究進展

劉尊洋，卞進田，邵 立，汪亞夫，孫曉泉

(脈沖功率激光技術國家重點實驗室電子工程學院，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、遙感、醫(yī)療、通信及軍事等諸多領域都有重要的應用價值和前景［1］。因此，中紅外激光技術成為國內外激光工作者研究的熱點。

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、半導體量子級聯(lián)激光器、自由電子激光器和化學激光器等;有非線性方法:如借助物質二階非線性作用的光學倍頻激光器和光參量技術激光器。本文將分別綜述其基本特點和最新的研究進展。

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的激光器。固體激光器具有結構緊湊、小巧、牢固、靈活等優(yōu)點，但由于摻雜離子的限制，固體激光器的輸出波長多數(shù)在1～2 μm范圍內，中紅外固體激光技術一直以來發(fā)展緩慢。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)了可以直接發(fā)出中紅外激光的工作物質，如過渡族元素摻雜二元或三元硫族化合物［2－5］和 Dy3+∶PbGa2S4(Dy∶PGS)晶體［6］，大大促進了固體中紅外激光器的發(fā)展。

2．1．1 過渡族元素摻雜二元或三元硫族化合物激光器

最近幾年，摻過渡金屬(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(可達中心波長50%)，在中紅外波段具有強而寬的吸收和發(fā)射帶寬(如圖1、圖2所示)成為中紅外激光技術研究的一個熱點。從圖2可以看出，F(xiàn)e∶ZnSe在人們非常感興趣的4～5 μm波段附近有較強的輻射能力。過渡族元素摻雜二元或三元硫族化合物激光器的最新研究進展如表1所示［2－5］。從表1可以看出，目前使用該技術已經(jīng)可以實現(xiàn)平均功率十瓦級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激光的主要問題是隨溫度升高效率嚴重降低以及難以獲得高性能的3 μm泵浦源。

表1 過渡族元素摻雜二元或三元硫族化合物激光器研究進展［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［6］，Dy3+的能級圖如圖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泵浦時的光譜分布如圖5所示。目前已能實現(xiàn)在4．3 μm輸出功率高達160 mJ。并且在沒有任何制冷條件下，在4．3 μm輸出接近高斯分布的激光束，斜效率高達8%。Dy∶PGS激光器的最新研究進展列于表 2［6］。

表2 Dy∶PGS激光器的最新研究進展［6］

2．2 半導體量子級聯(lián)激光器

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

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

目前量子級聯(lián)激光器還存在一些問題，如工藝要求高，閾值電流密度大，工作溫度低，輸出功率小，光束質量差等，但是，隨著科技的發(fā)展，中遠紅外QCL以它的小型、實時、遠程、高分辨、高靈敏度、寬光譜范圍連續(xù)單模調諧的優(yōu)勢，將在氣候變化與環(huán)境污染在線實時監(jiān)測、非侵入醫(yī)學診斷、國土和社會安全、大氣保密通信等應用方向和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要的實用價值［7］。

表3 中紅外量子級聯(lián)激光器研究進展［7－9］

2．3 自由電子激光器

自由電子激光器是利用相對論電子束通過一個稱為搖擺器的周期變化的橫向磁感應場來與電磁輻射相互作用產(chǎn)生激光的裝置。由于相對論電子束有很高的功率密度，工作介質又是自由電子，不存在擊穿問題，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與電子束能量有關，容易連續(xù)調諧，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是體積龐大、價格昂貴。

Los Alomas實驗室開發(fā)的先進自由電子激光器(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裝置首輪實驗結果。

表4 AFEL裝置首輪實驗結果

由于自由電子激光器的波長容易調諧，適合氣象環(huán)境多變導致“最佳大氣窗口”多變的海上使用。2004年，杰弗遜國家實驗室(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系統(tǒng)。預計2025年將實現(xiàn)艦載兆瓦級自由電子激光武器服役，主要用于攔截彈道導彈，其能力也可用于攻擊臨近空間飛行器和低軌衛(wèi)星。

2．4 化學激光器

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

表5 化學激光器參數(shù)

化學激光器以其功率大、光束質量高等優(yōu)點，受到各國激光武器研究人員的青睞，ALPHA－II被列入天基激光武器(IFX)計劃，1997年進入ALI(ALPHA－LAMP)一體化試驗階段。整個預計IFX預計到2013年服役。1996年，美國開始和以色列聯(lián)合研制戰(zhàn)術高能激光武器系統(tǒng)(THEL)，多次在試驗中成功跟蹤與摧毀目標，后又研制機動 THEL(MTHEL)，主體都是DF化學激光器［12］。對于機載COIL，美國進行了有益的嘗試。2010年2月12日，美國導彈防御局宣布，“機載激光器”(ABL)系統(tǒng)于11日成功擊落一枚彈道導彈。

化學激光器的缺點是體積龐大，產(chǎn)生有毒的化學副產(chǎn)品，同時需要消耗費用昂貴的氣體。

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率高，是目前國內外研究最多的倍頻晶體［13］。

對于采用脈沖TEA CO2激光器泵浦AgGaSe2晶體獲得中紅外波段輸出的技術而言，目前已見報道的各個單項最高指標為［14］:最高倍頻轉換效率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。上述最佳指標分別是在完全不同的參數(shù)條件下獲得的，尚未見在同一實驗中達到上述指標的報道。2009年，中國長春光機所使用9．3 μm 倍頻輸出 4．6 μm 的實驗，得到最大單脈沖能量12．9 mJ，平均功率940 mW，實驗裝置如圖6所示［14］。

圖6 激光倍頻實驗裝置

3．2 光參量技術產(chǎn)生中紅外激光

光參量技術能夠產(chǎn)生寬光譜可調諧激光輸出，并能將現(xiàn)有的激光波長轉換到傳統(tǒng)激光器無法達到的波段。隨著性能優(yōu)良抽運源和中紅外非線性晶體技術的發(fā)展，OPO相繼實現(xiàn)了從紫外到遠紅外的全波段調諧、從連續(xù)(CW)到超快飛秒的整個時間譜范圍運轉。固體光參量振蕩激光器以其寬光譜調諧范圍、高效率、高功率、高重復頻率及小型化、固體化等特點在軍事對抗、大氣環(huán)境監(jiān)測、光雷達以及光譜學研究等諸多領域有重要應用［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 LiNbO3兩種晶體技術的進展。

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波段良好的透過性以及導熱性等，所以成為了獲取中紅外激光輸出的首選。由于ZGP對波長短于2 μm的激光吸收較強，國內外絕大部分的報道集中在利用波長大于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 波段輸出達到12．6 W［17］，在 ZGP OPO 輸出中紅外激光后再級聯(lián)光參量放大(OPA)器，單脈沖能量可以達到33 mJ［18］。表6和表7分別列舉了近年來直接泵浦和級聯(lián)泵浦ZGP OPO的研究進展情況。

表6 直接泵浦ZGP OPO研究進展

表7 級聯(lián)泵浦ZGP OPO研究進展

3．2．2 PPLN/PPMgLN OPO

PPLN和準相位匹配(QPM)技術的迅速發(fā)展使PPLN OPO成為中紅外OPO研究熱點。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，PPMgLN成為實現(xiàn)QPM OPO最常見的鐵電材料［26］。目前，PPLN/PPMgLN OPO 中紅外輸出功率在 2．73 μm 可以達到 36．7 W［27］。表 8 匯總了近年來國內外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，不易實現(xiàn)較高能量的輸出，另外，LN晶體對波長長于3．8 μm的中紅外激光吸收顯著增大，且波長越長吸收越嚴重，限制了該波段大功率參量激光輸出。目前，日本分子科學激光研究中心已經(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 國內外PPLN/PPMgLN OPO輸出中紅外激光的發(fā)展現(xiàn)狀

4 結論

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都有其特有的優(yōu)勢與局限，隨著科技、工藝等的不斷進步，上述技術都取得了較大的發(fā)展，部分技術已經(jīng)在實際應用中發(fā)揮了重要的作用。另外，相對而言，在各種技術中，在小型化、全固化、窄線寬、室溫運轉、可調諧等方面具有重大優(yōu)勢的光參量技術已經(jīng)成為當前研究的熱點并將在其應用領域發(fā)揮更大的作用。

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