中紅外激光的應用

　　中紅外波段是指處在紅外波長范圍內的某一波段，由于應用需求不同，在不同的應用領域對中紅外波長的范圍有著不同的定義。國際照明協(xié)會把中紅外定義為 3-1000 μm；在軍事上一般限定在 3-5 μm；在激光技術領域，中紅外激光波長范圍一般指 2-5 μm波段。

　　（1）空間通信

　　中紅外波段位于大氣的吸收窗口，從圖1中可看出，在中紅外波段，大部分波長的透過率在60%以上，一部分高達90%，小部分波長由于CO2、H2O、O3分子的吸收透過率很低。因此中紅外激光可實現(xiàn)在大氣中的遠距離傳輸，在遙感、探測等領域具有廣泛應用。

　　圖1 大氣的吸收光譜

　　3-5 μm 中紅外波段是大氣的低損耗、弱湍流和弱背景噪聲窗口，能夠很好克服大氣信道的影響，是空間長距離激光通信的理想波段。采用 3-5 μm 波段實現(xiàn)的空間激光通信系統(tǒng)方案如圖2所示。

　　圖2 中紅外空間激光通信系統(tǒng)示意圖

　　待傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)通過編碼，加載至中紅外激光源輸出的光載波上，形成中紅外激光信號，然后經(jīng)過光功率放大以及發(fā)射天線擴束，擴束的目的是壓縮光束發(fā)散角，降低激光束在大氣傳播時的發(fā)散損耗，再經(jīng)由大氣信道傳輸后到達接收端，經(jīng)接收天線傳輸并由中紅外光電探測器進行光-電轉換，最后經(jīng)線路解碼器等數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)據(jù)處理后，得到原始傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)。

　　(2)醫(yī)療應用

　　水分子是生物組織的重要組成部分（水的吸收譜如圖3），利用水分子對 1.9-2 μm激光強烈吸收產生的熱效應，可以實現(xiàn)快速止血，減少手術對人體組織的破壞，因此該波段的激光器廣泛應用于臨床外科手術中。

　　已經(jīng)應用于臨床手術的案例有血管角皮瘤、腦腫瘤等良惡性腫瘤的切除，鼻息肉、咽后壁濾泡增生、下鼻甲肥大等鼻部手術，內膜移位癥，腺性膀胱炎、前列腺肥大、碎石、激光心肌打孔手術，關節(jié)滑膜切除、關節(jié)囊腫及其它軟組織切除術及骨性關節(jié)炎治療等。

　　這種醫(yī)療方法有出血少或無，不需填塞，損傷小，傷面愈合快，手術方法簡單等優(yōu)點。

　　圖3 水的吸收譜

　　（3）軍事應用

　　定向紅外干擾技術是一種紅外有源干擾技術，將激光器光束達到一定的擴束比后，當有導彈逼近時，使用跟蹤設備把干擾能量引向來襲導彈方向，導致導彈導引頭工作失靈而偏離目標。

　　美國海軍實驗室研制成功了多波段反艦戰(zhàn)術電子戰(zhàn)系統(tǒng)(MATES)，用于綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)(AIEWS)，這個系統(tǒng)采用的光源主要是光譜范圍為中波紅外和遠紅外波段的激光裝置。

　　（4）工業(yè)加工

　　透明塑料對 1 μm波段的吸收較小，而大部分有機材料對 2 μm有足夠的吸收，因此可以直接用于透明材料的切割、焊接、雕刻等加工領域。隨著激光3D打印技術的日漸普及，透明有機材料的3D打印制造將會更快速地發(fā)展。

　　（5）氣體監(jiān)測

　　中紅外波段集中了大量氣體分子的吸收線，其吸收強度與近紅外波段相比強2-3倍，因此，中紅外激光用于微量氣體探測領域具有廣泛的民用價值。由于 CO2、CH4、C2H6 的吸收峰分別位于2.8 μm、3.2 μm、3.3 μm波段，連續(xù)中紅外激光應用于分子光譜學，可使痕量氣體監(jiān)測的靈敏度更高。

　　中紅外固體激光的產生技術

　　對固體激光技術來說，中紅外波段的產生方法可分為摻雜離子直接發(fā)射和非線性轉換技術。

　　摻雜離子直接發(fā)射是通過離子的能級躍遷來發(fā)射中紅外波段光子。常用的固態(tài)激活離子包括稀土離子（Tm3+、Ho3+、Er3+等）和過渡金屬離子（Fe2+、Cr2+等）。

　　非線性頻率轉換技術包括差頻、光參量振蕩、受激拉曼散射技術等，主要由非線性晶體的性質決定。

　　（1）摻銩固體激光器

　　銩激光的發(fā)射波段處在水分子的吸收峰（1.92-1.94 μm），因此銩激光應用于外科手術時，效率高、熱損傷小，成為非常有潛力的一類醫(yī)療激光器。另外，摻銩激光器可作為摻鈥激光系統(tǒng)和中紅外參量激光的抽運源。

　　摻銩材料的吸收峰大約在 790 nm附近，適合半導體抽運。常見的摻銩基質材料有YAG、YLF、LuAG、YAP等。近年來，以倍半氧化物陶瓷作為基質的新型增益介質，如Tm:Lu2O3、Tm:(Lu,Sc)2O3也得到了廣泛研究。

　　在基質材料晶體場的作用下，銩離子能級發(fā)生展寬，能級寬度和能帶間隔各不相同，但基本特征相似，發(fā)射譜線主要集中在 1.9-2.1 μm之間。利用其熒光譜范圍較寬的特點，加以調諧元件如體布拉格光柵，可實現(xiàn)窄線寬可調諧輸出。

　　目前，摻銩固體激光器的廠家很少，大部分此波長的激光器都是光纖激光器。長春新產業(yè)光電技術有限公司研發(fā)的摻銩固體激光器有 1910 nm，1940 nm，1990 nm，具有光束質量好、功率穩(wěn)定性高、可光纖耦合輸出等優(yōu)點，且可根據(jù)客戶需求定制。

　　圖4 摻銩中紅外固體激光器

　　（2）摻鈥固體激光器

　　2 μm波段相干光源在空氣中有比較高的透過率，是風速測量、相干激光雷達、遙感探測等應用領域的理想光源。

　　摻雜鈥離子的增益介質能直接產生 2.1 μm左右的激光。鈥離子在可見光和 1.9 μm附近都有吸收峰，較早期的鈥激光是用閃光燈抽運的，需在增益介質中加入共摻離子Tm3+等作為敏化劑，不利于常溫下獲得較高的轉換效率。

　　目前較理想的途徑是采用摻銩激光器產生的 1.9 μm 激光直接抽運鈥晶體，或利用 1908 nm 左右的半導體激光器作為抽運源，可在室溫下實現(xiàn)穩(wěn)定高效的鈥激光輸出。

　　長春新產業(yè)光電技術有限公司可提供連續(xù)和脈沖運轉 2096 nm，2121 nm，2124 nm，2130 nm摻鈥固體激光器。

　　圖5 摻鈥中紅外固體激光器

　　（3）摻鉺固體激光器

　　Er3+ 的 4Ⅰ11 /2 →4Ⅰ13 /2 躍遷在不同的基質中可產生 2.7～3 μm波段的激光，氙燈和LD抽運高摻雜濃度的鉺材料可直接獲得此波段激光。研究比較成熟的材料有Er:YAG，Er:YLF，Er:YSGG，Er:GSGG，Er:BYF等，近年來也有氧化物激光陶瓷作為基質材料的研究，如Er:LuO3，Er:Y2O3等。

　　GSGG晶體熱導率低，存在嚴重的熱透鏡效應，難以實現(xiàn)高重復頻率、高功率及高光束質量中紅外激光輸出；YSGG基質材料可用于低重復頻率的中小功率固體激光器，且聲子能量較低，多聲子無輻射躍遷帶來的影響?。?/p>

　　YAG晶體基質生長技術成熟、易于摻雜、熱導率高、激光損傷閾值高，具有優(yōu)良的物理、化學性能；相比于YAG晶體，YLF晶體結構應力與熱應力都較大，存在一定的熱透鏡效應，晶體生長工藝較難；Er:YAG激光器抽運方式主要分為氙燈抽運、LD側面抽運和LD端面抽運，能夠輸出高峰值功率、大能量的 2940 nm激光。

　　美國Sheaumann公司研制了1 W 2940 nm摻鉺連續(xù)激光器。長春新產業(yè)光電技術有限公司可提供連續(xù)和脈沖運轉 2700 nm，2790 nm，2800 nm，2830 nm，2940 nm摻鉺固體激光器。

　　圖6 摻鉺中紅外固體激光器

　　（4）過渡金屬元素鉻鐵摻雜固體激光

　　過渡金屬離子Cr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+在Ⅱ-Ⅵ族半導體材料中表現(xiàn)出較佳的中紅外激光特性，特別是摻雜Cr2+離子的半導體晶體如Cr2+:ZnSe、Cr2+:ZnS，具有良好的室溫熒光性能和較寬的調諧范圍及較高的量子效率。Cr2+:ZnSe的波長調諧范圍約為 2200-2700 nm，Cr2+:ZnS晶體的輸出范圍為 2100-2700 nm。

　　（5）基于非線性技術的中紅外激光器

　　差頻中紅外固體激光器

　　當兩束具有頻率差的激光束入射到非線性晶體時，產生頻率為兩束入射光頻率之差的新的激光，此過程即為差頻過程。同其他任何非線性過程一樣，此過程必須達到一定的閾值條件?；诓铑l技術，可以獲得可見光到 30 μm范圍內的光源，大部分情況下用來實現(xiàn)遠紅外波。

　　中紅外光參量振蕩激光器

　　如果把非線性介質放在光學共振腔內，抽運光入射到非線性晶體中，產生兩個新的低頻光（信號光和閑頻光），抽運光、信號光及閑頻光多次往返通過非線性介質，當信號光波和閑頻光的增益大于它們在共振腔內的損耗時，便在共振腔內形成激光振蕩。

　　這就是光學參量振蕩器（OPO）。通過諧振腔鏡的鍍膜設計，可以選擇需要的激光頻率輸出。如圖7所示。其中ωp為抽運光頻率，ωs為信號光頻率，ωi 為閑頻光頻率，并且滿足 ωp＝ωs＋ωi 的關系。

　　圖7 光參量振蕩器的簡單結構

　　光學參量振蕩器的諧振腔可以同時對信號光和閑頻光共振，也可以對其中一個頻率諧振。前者通常稱為雙諧振參量振蕩器(DRO)，后者通常稱為單諧振光學參量振蕩器(SRO)。

　　三束光在晶體中傳播時需要滿足相位匹配條件，即與光波長在晶體中的折射率有關，如果抽運光以固定波長入射，非線性晶體的折射率變化將改變信號光和閑頻光的波長，從而得到新的相位匹配條件，實現(xiàn)波長調諧。

　　這種調諧可以利用各向異性晶體雙折射與角度的關系實現(xiàn)角度調諧，或者改變溫度來實現(xiàn)溫度調諧；對周期極化晶體來說還可以改變晶體的周期進行周期調諧。

　　非線性晶體是中紅外光參量振蕩激光器的關鍵元件，常見的中紅外非線性晶體有KTP、KTA、ZnGeP2（ZGP）、AgGaS2、LiNbO3（LN）、LiTaO3（LT）、PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA。PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA屬于周期極化晶體，具有較高的轉換效率，在PPLN、PPLT中摻入MgO可以提高晶體的損傷閾值。

　　目前，西班牙Radiantis公司是著名的光參量振蕩器制造商，其Zenith產品是皮秒OPO激光系統(tǒng)。在市場上具有最高功率水平（1420-2000 nm＞4 W，2200-4200 nm＞2 W），脈沖寬度皮秒量級。

　　利用光參量振蕩技術，長春新產業(yè)在中紅外波段能實現(xiàn) 2600-4800 nm單波長或可調諧激光器產品。如圖9所示，連續(xù) 3800 nm激光器輸出功率大于 1 W， 輸出光譜如圖10所示。

　　圖8 中紅外光參量振蕩激光器

　　圖9 連續(xù) 3800 nm激光器輸出功率

　　圖10 輸出光譜

　　中紅外固體拉曼激光器

　　拉曼散射是物質分子與光子之間發(fā)生的非彈性散射現(xiàn)象，散射光子的能量與入射光子的能量不同，散射光子的頻率向低頻方向移動的過程，為斯托克斯（Stokes）散射，反之，叫做反斯托克斯(反Stokes)散射。

　　受激拉曼散射過程使散射具有受激發(fā)射的性質。當頻率為ν0 的基頻光入射到拉曼介質后，由受激拉曼散射產生頻率為νs1 的一階Stokes光子，當一階Stokes光強達到閾值時將作為激發(fā)光產生頻率為νs2 的二階Stokes光。依次類推，這種效應成為級聯(lián)受激拉曼散射。通過激光與拉曼介質的相互作用，可實現(xiàn)激光的頻率轉換，得到一些特殊頻率的新型激光。

　　拉曼介質是拉曼激光器的核心，常見的固體拉曼介質主要是釩酸鹽、鎢酸鹽和硝酸鹽類晶體，如釩酸釔(YVO4)、鎢酸鉀釓晶體(KGW)、鎢酸鋇(BaWO4)、釩酸釓晶體(GdVO4)、硝酸鋇(BaNO3)等。

　　中紅外激光器的發(fā)展前景

　　目前，對于高功率中紅外固體激光器來說，制約其發(fā)展的因素主要在于增益介質和鍍膜技術。以摻鉺激光器為例，其主要面臨的技術問題在于Er3+離子輸出中紅外激光的上能級壽命過小帶來的自終止效應，而針對高摻雜帶來的問題，可通過改變環(huán)境條件，如采用低溫環(huán)境；或通過優(yōu)化結構設計進行熱管理。

　　對光參量振蕩器來說，隨著晶體生長技術的成熟，我們能夠得到通光孔徑更大、品質更高的非線性晶體，2013 年，法國 Kemlin 等人就報道了 5 mm厚 MgO：PPLN 晶體，實現(xiàn)了大尺寸PPLN制備技術的飛躍，使 OPO 技術得到更好的推動，使 OPO 輸出的參量指標更高。

　　但目前國內的晶體生長技術還稍微落后，極化厚度達到 2 mm時，極化不均勻，效率降低，限制了大功率的激光輸出。另外，中紅外鍍膜材料的損傷閾值低同樣限制了其向大能量方向的發(fā)展，但相信隨著新材料的開發(fā)以及光學鍍膜技術和激光器結構的不斷革新，中紅外激光器會實現(xiàn)更高的功率和效率。

　　目前，采用 ZGP的 OPO 激光器的輸出功率已達到幾十瓦，光-光轉換效率也不斷提高。新型晶體性能的提升使中紅外激光器不斷向高功率、窄線寬、寬波長調諧方向發(fā)展。通過抽運源及諧振腔的新型結構設計，使系統(tǒng)更緊湊，同時壽命長、效率高、重量輕，將是中紅外激光器未來發(fā)展的必然趨勢，其應用領域也會越來越廣泛。

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　　作者簡介：

　　鄭權，中國科學院長春光機所二級研究員，長春新產業(yè)光電技術有限公司總經(jīng)理，主要從事半導體激光器、固體激光器及光纖激光器的研發(fā)，涉及紫外、可見光和紅外波段。

　　王金艷，長春新產業(yè)光電技術有限公司研發(fā)部工程師，碩士，主要從事中紅外激光器的研發(fā)，可調諧激光器的研發(fā)。

　　陳曦，長春新產業(yè)光電技術有限公司研發(fā)部部長，碩士，主要從事超短脈沖全固態(tài)激光器研發(fā)，單縱模全固態(tài)激光器及中紅外激光器的研發(fā)。