中紅外激光的應(yīng)用

　　中紅外波段是指處在紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的某一波段，由于應(yīng)用需求不同，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ屑t外波長(zhǎng)的范圍有著不同的定義。國(guó)際照明協(xié)會(huì)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(shù)領(lǐng)域，中紅外激光波長(zhǎng)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(zhǎng)的透過率在60%以上，一部分高達(dá)90%，小部分波長(zhǎng)由于CO2、H2O、O3分子的吸收透過率很低。因此中紅外激光可實(shí)現(xiàn)在大氣中的遠(yuǎn)距離傳輸，在遙感、探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)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(zhǎng)距離激光通信的理想波段。采用 3-5 μm 波段實(shí)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(hào)，然后經(jīng)過光功率放大以及發(fā)射天線擴(kuò)束，擴(kuò)束的目的是壓縮光束發(fā)散角，降低激光束在大氣傳播時(shí)的發(fā)散損耗，再經(jīng)由大氣信道傳輸后到達(dá)接收端，經(jīng)接收天線傳輸并由中紅外光電探測(cè)器進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)線路解碼器等數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)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(yīng)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(duì) 1.9-2 μm激光強(qiáng)烈吸收產(chǎn)生的熱效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)快速止血，減少手術(shù)對(duì)人體組織的破壞，因此該波段的激光器廣泛應(yīng)用于臨床外科手術(shù)中。

　　已經(jīng)應(yīng)用于臨床手術(shù)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(shù)，內(nèi)膜移位癥，腺性膀胱炎、前列腺肥大、碎石、激光心肌打孔手術(shù)，關(guān)節(jié)滑膜切除、關(guān)節(jié)囊腫及其它軟組織切除術(shù)及骨性關(guān)節(jié)炎治療等。

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

　　圖3 水的吸收譜

　　（3）軍事應(yīng)用

　　定向紅外干擾技術(shù)是一種紅外有源干擾技術(shù)，將激光器光束達(dá)到一定的擴(kuò)束比后，當(dāng)有導(dǎo)彈逼近時(shí)，使用跟蹤設(shè)備把干擾能量引向來(lái)襲導(dǎo)彈方向，導(dǎo)致導(dǎo)彈導(dǎo)引頭工作失靈而偏離目標(biāo)。

　　美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研制成功了多波段反艦戰(zhàn)術(shù)電子戰(zhàn)系統(tǒng)(MATES)，用于綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)(AIEWS)，這個(gè)系統(tǒng)采用的光源主要是光譜范圍為中波紅外和遠(yuǎn)紅外波段的激光裝置。

　　（4）工業(yè)加工

　　透明塑料對(duì) 1 μm波段的吸收較小，而大部分有機(jī)材料對(duì) 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(lǐng)域。隨著激光3D打印技術(shù)的日漸普及，透明有機(jī)材料的3D打印制造將會(huì)更快速地發(fā)展。

　　（5）氣體監(jiān)測(cè)

　　中紅外波段集中了大量氣體分子的吸收線，其吸收強(qiáng)度與近紅外波段相比強(qiáng)2-3倍，因此，中紅外激光用于微量氣體探測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的民用價(jià)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(yīng)用于分子光譜學(xué)，可使痕量氣體監(jiān)測(cè)的靈敏度更高。

　　中紅外固體激光的產(chǎn)生技術(shù)

　　對(duì)固體激光技術(shù)來(lái)說(shuō)，中紅外波段的產(chǎn)生方法可分為摻雜離子直接發(fā)射和非線性轉(zhuǎn)換技術(shù)。

　　摻雜離子直接發(fā)射是通過離子的能級(jí)躍遷來(lái)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(zhuǎn)換技術(shù)包括差頻、光參量振蕩、受激拉曼散射技術(shù)等，主要由非線性晶體的性質(zhì)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(yīng)用于外科手術(shù)時(shí)，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(yùn)源。

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

　　在基質(zhì)材料晶體場(chǎng)的作用下，銩離子能級(jí)發(fā)生展寬，能級(jí)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(diǎn)，加以調(diào)諧元件如體布拉格光柵，可實(shí)現(xiàn)窄線寬可調(diào)諧輸出。

　　目前，摻銩固體激光器的廠家很少，大部分此波長(zhǎng)的激光器都是光纖激光器。長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)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(zhì)量好、功率穩(wěn)定性高、可光纖耦合輸出等優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)速測(cè)量、相干激光雷達(dá)、遙感探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的理想光源。

　　摻雜鈥離子的增益介質(zhì)能直接產(chǎn)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(yùn)的，需在增益介質(zhì)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(zhuǎn)換效率。

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

　　長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司可提供連續(xù)和脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 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(zhì)中可產(chǎn)生 2.7～3 μm波段的激光，氙燈和LD抽運(yùn)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(lái)也有氧化物激光陶瓷作為基質(zhì)材料的研究，如Er:LuO3，Er:Y2O3等。

　　GSGG晶體熱導(dǎo)率低，存在嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率、高功率及高光束質(zhì)量中紅外激光輸出；YSGG基質(zhì)材料可用于低重復(fù)頻率的中小功率固體激光器，且聲子能量較低，多聲子無(wú)輻射躍遷帶來(lái)的影響小；

　　YAG晶體基質(zhì)生長(zhǎng)技術(shù)成熟、易于摻雜、熱導(dǎo)率高、激光損傷閾值高，具有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能；相比于YAG晶體，YLF晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與熱應(yīng)力都較大，存在一定的熱透鏡效應(yīng)，晶體生長(zhǎng)工藝較難；Er:YAG激光器抽運(yùn)方式主要分為氙燈抽運(yùn)、LD側(cè)面抽運(yùn)和LD端面抽運(yùn)，能夠輸出高峰值功率、大能量的 2940 nm激光。

　　美國(guó)Sheaumann公司研制了1 W 2940 nm摻鉺連續(xù)激光器。長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司可提供連續(xù)和脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 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(dǎo)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(dǎo)體晶體如Cr2+:ZnSe、Cr2+:ZnS，具有良好的室溫?zé)晒庑阅芎洼^寬的調(diào)諧范圍及較高的量子效率。Cr2+:ZnSe的波長(zhǎng)調(diào)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(shù)的中紅外激光器

　　差頻中紅外固體激光器

　　當(dāng)兩束具有頻率差的激光束入射到非線性晶體時(shí)，產(chǎn)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(dá)到一定的閾值條件?；诓铑l技術(shù)，可以獲得可見光到 30 μm范圍內(nèi)的光源，大部分情況下用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外波。

　　中紅外光參量振蕩激光器

　　如果把非線性介質(zhì)放在光學(xué)共振腔內(nèi)，抽運(yùn)光入射到非線性晶體中，產(chǎn)生兩個(gè)新的低頻光（信號(hào)光和閑頻光），抽運(yùn)光、信號(hào)光及閑頻光多次往返通過非線性介質(zhì)，當(dāng)信號(hào)光波和閑頻光的增益大于它們?cè)诠舱袂粌?nèi)的損耗時(shí)，便在共振腔內(nèi)形成激光振蕩。

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

　　圖7 光參量振蕩器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)

　　光學(xué)參量振蕩器的諧振腔可以同時(shí)對(duì)信號(hào)光和閑頻光共振，也可以對(duì)其中一個(gè)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(xué)參量振蕩器(SRO)。

　　三束光在晶體中傳播時(shí)需要滿足相位匹配條件，即與光波長(zhǎng)在晶體中的折射率有關(guān)，如果抽運(yùn)光以固定波長(zhǎng)入射，非線性晶體的折射率變化將改變信號(hào)光和閑頻光的波長(zhǎng)，從而得到新的相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。

　　這種調(diào)諧可以利用各向異性晶體雙折射與角度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)角度調(diào)諧，或者改變溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)諧；對(duì)周期極化晶體來(lái)說(shuō)還可以改變晶體的周期進(jìn)行周期調(diào)諧。

　　非線性晶體是中紅外光參量振蕩激光器的關(guān)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(zhuǎn)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(chǎn)品是皮秒OPO激光系統(tǒng)。在市場(chǎng)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(jí)。

　　利用光參量振蕩技術(shù)，長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)在中紅外波段能實(shí)現(xiàn) 2600-4800 nm單波長(zhǎng)或可調(diào)諧激光器產(chǎn)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(zhì)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(dòng)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(zhì)。當(dāng)頻率為ν0 的基頻光入射到拉曼介質(zhì)后，由受激拉曼散射產(chǎn)生頻率為νs1 的一階Stokes光子，當(dāng)一階Stokes光強(qiáng)達(dá)到閾值時(shí)將作為激發(fā)光產(chǎn)生頻率為νs2 的二階Stokes光。依次類推，這種效應(yīng)成為級(jí)聯(lián)受激拉曼散射。通過激光與拉曼介質(zhì)的相互作用，可實(shí)現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換，得到一些特殊頻率的新型激光。

　　拉曼介質(zhì)是拉曼激光器的核心，常見的固體拉曼介質(zhì)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(duì)于高功率中紅外固體激光器來(lái)說(shuō)，制約其發(fā)展的因素主要在于增益介質(zhì)和鍍膜技術(shù)。以摻鉺激光器為例，其主要面臨的技術(shù)問題在于Er3+離子輸出中紅外激光的上能級(jí)壽命過小帶來(lái)的自終止效應(yīng)，而針對(duì)高摻雜帶來(lái)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱管理。

　　對(duì)光參量振蕩器來(lái)說(shuō)，隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的成熟，我們能夠得到通光孔徑更大、品質(zhì)更高的非線性晶體，2013 年，法國(guó) Kemlin 等人就報(bào)道了 5 mm厚 MgO：PPLN 晶體，實(shí)現(xiàn)了大尺寸PPLN制備技術(shù)的飛躍，使 OPO 技術(shù)得到更好的推動(dòng)，使 OPO 輸出的參量指標(biāo)更高。

　　但目前國(guó)內(nèi)的晶體生長(zhǎng)技術(shù)還稍微落后，極化厚度達(dá)到 2 mm時(shí)，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(xué)鍍膜技術(shù)和激光器結(jié)構(gòu)的不斷革新，中紅外激光器會(huì)實(shí)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(dá)到幾十瓦，光-光轉(zhuǎn)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(zhǎng)調(diào)諧方向發(fā)展。通過抽運(yùn)源及諧振腔的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更緊湊，同時(shí)壽命長(zhǎng)、效率高、重量輕，將是中紅外激光器未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來(lái)越廣泛。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　鄭權(quán)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所二級(jí)研究員，長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司總經(jīng)理，主要從事半導(dǎo)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(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)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(diào)諧激光器的研發(fā)。

　　陳曦，長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司研發(fā)部部長(zhǎng)，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)。