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中红外激光器的应用

中红外波段是指红外波长范围内的某一波段。 由于不同的应用需求，中红外波长范围在不同的应用领域有不同的定义。 国际照明协会定义中红外为3-1000μm； 在军事上，一般限制在3-5μm； 在激光技术领域，中红外激光波长范围一般是指2-5μm波段。

(1) 空间通信

中红外波段位于大气的吸收窗口。 从图1可以看出，在中红外波段，大部分波长的透过率都在60%以上，有的甚至高达90%。 吸收和传输率很低。 因此，中红外激光可以在大气中实现远距离传输，在遥感、探测等领域有着广泛的应用。

图1 大气吸收光谱

3-5 μm中红外波段是大气中低损耗、弱湍流和弱背景噪声的窗口，可以很好地克服大气信道的影响，是空间长距离激光通信的理想波段。 在3-5μm波段实现的空间激光通信系统方案如图2所示。

图2 中红外空间激光通信系统示意图

待传输的高速数据经编码后加载到中红外激光源输出的光载波上，形成中红外激光信号，经发射天线光功率放大和扩束。 扩束的目的是压缩光束的发散角，减少激光束在大气传播中的发散损耗，然后通过大气通道传输到接收端，通过接收天线传输并进行光电转换中红外光电探测器，最后经过行解码器等数据处理单元的数据处理，得到用于原始传输的高速数据。

(2) 医疗应用

水分子是生物组织的重要组成部分（水的吸收光谱如图3所示）。 水分子对1.9-2μm激光的强烈吸收所产生的热效应，可实现快速止血，减少手术对人体组织的损伤。 激光广泛应用于临床手术。

已应用于临床手术的病例有血管角皮瘤、脑瘤等良恶性肿瘤切除、鼻息肉、咽后滤泡肥大、下鼻甲肥大等鼻部手术、内膜移位、腺性膀胱炎、前列腺肥大、碎石术、激光心肌穿孔术、滑膜切除术、关节囊肿等软组织切除术和骨关节炎治疗。

这种医疗方法具有出血少或不出血、不包扎、损伤小、创面愈合快、操作方法简单等优点。

图3 水的吸收光谱

(3) 军事应用

定向红外干扰技术是一种红外主动干扰技术。 激光束达到一定的扩束比后，当导弹靠近时，利用跟踪装置将干扰能量导向来袭导弹的方向，使导弹导引头失效。 不中。

美国海军实验室成功开发了用于综合电子战系统（AIEWS）的多波段反舰战术电子战系统（MATES）。

(4) 工业加工

透明塑料在1μm波段吸收较少，而大多数有机材料在2μm波段吸收充分，因此可直接用于透明材料的切割、焊接、雕刻等加工领域。 随着激光3D打印技术的日益普及，透明有机材料的3D打印将得到更加快速的发展。

(5) 气体监测

中红外波段集中了大量气体分子的吸收线，其吸收强度比近红外波段强2-3倍。 因此，中红外激光器在微量气体检测领域具有广泛的民用价值。 由于CO2、CH4和C2H6的吸收峰分别位于2.8 μm、3.2 μm和3.3 μm波段，将连续中红外激光应用于分子光谱可以使痕量气体监测更加灵敏。

中红外固体激光器产生技术

对于固体激光技术，中红外波段的产生方法可分为掺杂离子直接发射和非线性转换技术。

掺杂离子的直接发射是通过离子的能级跃迁发射中红外波段的光子。 常用的固态活性离子有稀土离子（Tm3+、Ho3+、Er3+等）和过渡金属离子（Fe2+、Cr2+等）。

非线性变频技术包括差频、光参量振荡、受激拉曼散射技术等，主要由非线性晶体的特性决定。

(1) 掺铥固体激光器

铥激光器的发射带位于水分子的吸收峰（1.92-1.94 μm）。 因此，铥激光应用于手术时光纤光谱仪 紫外，具有效率高、热损伤小等特点，成为一种极具潜力的医用激光。 此外，掺铥激光器可用作掺钬激光系统和中红外参量激光器的泵浦源。

掺铥材料的吸收峰在790nm左右，适合半导体泵浦。 常见的掺铥基质材料包括 YAG、YLF、LuAG 和 YAP。 近年来，基于倍半氧化物陶瓷的新型增益介质，如Tm:Lu2O3和Tm:(Lu,Sc)2O3也得到了广泛的研究。

在主体材料的晶场作用下，铥离子的能级变宽。 能级宽度和能带间隔不同，但基本特征相似，发射谱线主要集中在1.9-2.1 μm之间。 利用其荧光光谱范围广的优势，加入体布拉格光栅等调谐元件，可实现窄线宽可调谐输出。

目前，掺铥固体激光器的生产厂家非常少，该波长的激光器多为光纤激光器。 长春新业光电科技有限公司研制的掺铥固体激光器有1910nm、1940nm、1990nm三种波长。 具有光束质量好、功率稳定性高、光纤耦合输出等优点，可根据客户需求定制。

图4 掺铥中红外固体激光器

(2) 掺钬固体激光器

2μm波段相干光源在空气中具有较高的透过率，是风速测量、相干激光雷达、遥感探测等应用的理想光源。

掺杂钬离子的增益介质可直接产生约2.1 µm的激光。 钬离子在可见光和 1.9 µm 左右有吸收峰。 早期的钬激光器由闪光灯泵浦。 增益介质中应加入共掺杂离子Tm3+等作为敏化剂，不利于在室温下获得较高的转化率。 效率。

目前比较理想的方式是采用掺铥激光器产生的1.9 μm激光直接泵浦钬晶体，或者采用1908 nm左右的半导体激光器作为泵浦源，可以实现稳定高效的钬激光输出室内温度。

长春新业光电科技有限公司可提供连续和脉冲2096nm、2121nm、2124nm、2130nm掺钬固体激光器。

图5 掺钬中红外固体激光器

(3) 掺铒固体激光器

Er3+的4Ⅰ11 /2 → 4Ⅰ13 /2跃迁可在不同衬底中产生2.7-3 μm波段的激光，该波段的激光可通过氙灯和LD泵浦高掺杂浓度铒材料直接获得。 比较成熟的研究材料有Er:YAG、Er:YLF、Er:YSGG、Er:GSGG、Er:BYF等。近年来也有以氧化物激光陶瓷为基体材料的研究，如Er:LuO3、 Er：Y2O3等

GSGG晶体导热系数低，热透镜效应严重，难以实现高重复频率、高功率、高光束质量的中红外激光输出； YSGG基体材料可用于低重复频率、小功率固体激光器，声子能量较低。 低，多声子非辐射跃迁的影响小；

YAG晶体基体生长技术成熟，易于掺杂，导热系数高，激光损伤阈值高，具有优良的理化性能； 与YAG晶体相比，YLF晶体结构应力和热应力都较大，存在一定的热应力。 透镜效应，晶体生长过程困难； Er:YAG激光泵浦方式主要分为氙灯泵浦、LD侧泵浦和LD端泵浦，可输出高峰值功率、高能量的2940nm激光。

美国Sheaumann公司研制出1W 2940nm掺铒连续激光器。 长春新业光电科技有限公司可提供连续和脉冲2700nm、2790nm、2800nm、2830nm、2940nm掺铒固体激光器。

图6 掺铒中红外固体激光器

(4) 过渡金属元素铬铁掺杂固体激光器

过渡金属离子Cr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+在II-VI族半导体材料中表现出较好的中红外激光特性，尤其是掺杂Cr2+离子的半导体晶体如Cr2+:ZnSe、Cr2+:ZnS，具有良好的室温荧光性能和宽调谐范围和高量子效率。 Cr2+:ZnSe 的波长调谐范围约为 2200-2700 nm，Cr2+:ZnS 晶体的输出范围为 2100-2700 nm。

(5) 基于非线性技术的中红外激光器

差频中红外固体激光器

当两束具有频率差的激光入射到非线性晶体上时，会产生一束频率等于两束入射光束频率差的新激光，这一过程称为差频过程。 与任何其他非线性过程一样，此过程必须满足某些阈值条件。 基于差频技术，可以获得从可见光到30μm范围内的光源，并且在大多数情况下用于实现远红外波。

中红外光参量振荡激光器

如果在光学谐振腔内放置非线性介质，泵浦光入射到非线性晶体中，会产生两种新的低频光（信号光和闲散光），泵浦光、信号光和闲散光分别为多次来回穿过非线性介质，当信号光波和闲散光的增益大于它们在谐振腔中的损耗时，在谐振腔内形成激光振荡。

这是光学参量振荡器 (OPO)。 通过谐振镜的镀膜设计，可选择所需的激光频率输出。 如图7所示。其中，ωp为泵浦光频率，ωs为信号光频率，ωi为闲散光频率，满足ωp=ωs+ωi的关系。

图7 光参量振荡器的简单结构

光参量振荡器的谐振腔可以同时谐振信号光和闲散光，或者谐振到其中一个频率。 前者通常称为双谐振参量振荡器（DRO），后者通常称为单谐振光学参量振荡器（SRO）。

三束光在晶体中传播时，需要满足相位匹配条件，这与光波长在晶体中的折射率有关。 如果泵浦光以固定波长入射，非线性晶体折射率的变化会改变信号光和闲散光。 波长，从而获得新的相位匹配条件，实现波长调谐。

这种调谐可以利用各向异性晶体的双折射与角度的关系来实现角度调谐，或者改变温度来实现温度调谐； 对于周期性极化的晶振，也可以通过改变晶振的周期来进行周期调谐。

非线性晶体是中红外光学参量振荡器激光器的关键部件。 常见的中红外非线性晶体包括KTP、KTA、ZnGeP2 (ZGP)、AgGaS2、LiNbO3 (LN)、LiTaO3 (LT)、PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA。 PPLN、PPLT、PPKTP 和 PPKTA 是具有高转换效率的周期性极化晶体。 在PPLN和PPLT中掺杂MgO可以提高晶体的损伤阈值。

目前，西班牙Radiantis公司是知名的光参量振荡器制造商，其Zenith产品是皮秒OPO激光系统。 它具有市场上最高的功率水平（1420-2000 nm > 4 W，2200-4200 nm > 2 W），脉冲宽度在皮秒量级。

长春新业采用光参量振荡技术，可实现中红外波段2600-4800nm单波长或可调谐激光产品。 如图9所示，连续3800nm激光器的输出功率大于1W光纤光谱仪 紫外，输出光谱如图10所示。

图8 中红外光学参量振荡器激光器

图 9 CW 3800 nm 激光输出功率

图 10 输出频谱

中红外固态拉曼激光器

拉曼散射是发生在物质分子和光子之间的一种非弹性散射现象。 散射光子的能量不同于入射光子的能量。 散射光子的频率向低频移动的过程就是斯托克斯散射，反之亦然。 ，称为反斯托克斯（anti-Stokes）散射。

受激拉曼散射过程赋予散射受激发射的性质。 当频率为ν0的基频光入射到拉曼介质上时，受激拉曼散射产生频率为νs1的一阶斯托克斯光子，当一阶斯托克斯光强达到阈值时作为激发光产生频率为 νs2 Meta Stokes 光的二阶光子。 以此类推，这种效应变成级联受激拉曼散射。 通过激光与拉曼介质的相互作用，实现激光的频率转换，可以获得一些具有特殊频率的新型激光。

拉曼介质是拉曼激光器的核心。 常见的固体拉曼介质主要是钒酸盐、钨酸盐和硝酸盐晶体，如钒酸钇（YVO4）、钨酸钾钆晶体（KGW）、钨酸钡（BaWO4）、钒酸钆晶体（GdVO4）、硝酸钡（BaNO3）、 ETC。

中红外激光器的发展前景

目前，对于高功率中红外固体激光器，制约其发展的因素主要在于增益介质和镀膜技术。 以掺铒激光器为例，其面临的主要技术问题是Er3+离子输出中红外激光器上能级寿命短导致的自终止效应，以及高掺杂带来的问题。 ，通过改变环境条件，比如使用低温环境； 或通过优化的结构设计进行热管理。

对于光参量振荡器，随着晶体生长技术的成熟，可以获得更大孔径、更高质量的非线性晶体。 2013 年，法国凯姆林等人。 报道了一种5mm厚的MgO:PPLN晶体，实现了大尺寸PPLN制备技术的飞跃，使OPO技术得到更好的推广，OPO产出的参数指标更高。

但是，目前国内的晶体生长技术还略有落后。 当偏振厚度达到2mm时，偏振不均匀，效率降低，限制了高功率激光输出。 此外，中红外镀膜材料的低损伤阈值也限制了其向高能方向发展，但相信随着新材料的发展以及光学镀膜技术和激光器结构的不断创新，中红外激光器将实现更高的功率和效率。

目前，采用ZGP的OPO激光器输出功率已经达到几十瓦，光到光的转换效率也不断提高。 新型晶体性能的提升，使得中红外激光器不断向高功率、窄线宽、宽波长调谐方向发展。 通过泵浦源和谐振腔的全新结构设计，系统将更加紧凑、寿命长、效率高、重量轻。 这将是中红外激光器未来发展的必然趋势，其应用领域也将越来越广泛。

参考：

1. 朱静，施宏民，张美觉，等。 Ho:YAG激光在临床各科室的应用[J]. 应用激光, 2003,23(2):109-117

2. 方聪, 王思博, 惠永玲, 等. 掺铒中红外激光器研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019,56(18):180008-1~10

3. 沈德元，范殿元，中红外激光[M]． 国防工业出版社． 2015年

4. 孟冬冬，张洪波，李明山，等。 定向红外对抗系统中的激光技术[J]． 红外与激光工程, 2018, 47(11):150-159

5. Martin Schellhorn、Gerhard Spindler、Marc Eichhorn。 高脉冲能量中红外分数阶图像旋转增强 ZnGeP2 光学参量振荡器光束质量的改进[J]. 选择莱特, 2017, 42: 1185

关于作者：

郑权，中国科学院长春光机所二级研究员，长春新业光电科技有限公司总经理，主要从事半导体激光器、固体激光器的研发。态激光器和光纤激光器，涉及紫外、可见和红外波段。

王金燕，长春新业光电科技有限公司研发部工程师，硕士，主要从事中红外激光器和可调谐激光器的研发。

陈曦，长春新业光电科技有限公司研发部部长，硕士，主要从事超短脉冲全固态激光器、单纵模全固态激光器和中频超短脉冲全固态激光器的研发工作。红外激光。