中红外激光的应用

　　中红外波段是指处在红外波长范围内的某一波段，由于应用需求不同，在不同的应用领域对中红外波长的范围有着不同的定义。国际照明协会把中红外定义为 3-1000 μm；在军事上一般限定在 3-5 μm；在激光技术领域，中红外激光波长范围一般指 2-5 μm波段。

　　（1）空间通信

　　中红外波段位于大气的吸收窗口，从图1中可看出，在中红外波段，大部分波长的透过率在60%以上，一部分高达90%，小部分波长由于CO2、H2O、O3分子的吸收透过率很低。因此中红外激光可实现在大气中的远距离传输，在遥感、探测等领域具有广泛应用。

　　图1 大气的吸收光谱

　　3-5 μm 中红外波段是大气的低损耗、弱湍流和弱背景噪声窗口，能够很好克服大气信道的影响，是空间长距离激光通信的理想波段。采用 3-5 μm 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

　　待传输的高速数据通过编码，加载至中红外激光源输出的光载波上，形成中红外激光信号，然后经过光功率放大以及发射天线扩束，扩束的目的是压缩光束发散角，降低激光束在大气传播时的发散损耗，再经由大气信道传输后到达接收端，经接收天线传输并由中红外光电探测器进行光-电转换，最后经线路解码器等数据处理单元进行数据处理后，得到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（水的吸收谱如图3），利用水分子对 1.9-2 μm激光强烈吸收产生的热效应，可以实现快速止血，减少手术对人体组织的破坏，因此该波段的激光器广泛应用于临床外科手术中。

　　已经应用于临床手术的案例有血管角皮瘤、脑肿瘤等良恶性肿瘤的切除，鼻息肉、咽后壁滤泡增生、下鼻甲肥大等鼻部手术，内膜移位症，腺性膀胱炎、前列腺肥大、碎石、激光心肌打孔手术，关节滑膜切除、关节囊肿及其它软组织切除术及骨性关节炎治疗等。

　　这种医疗方法有出血少或无，不需填塞，损伤小，伤面愈合快，手术方法简单等优点。

　　图3 水的吸收谱

　　（3）军事应用

　　定向红外干扰技术是一种红外有源干扰技术，将激光器光束达到一定的扩束比后，当有导弹逼近时，使用跟踪设备把干扰能量引向来袭导弹方向，导致导弹导引头工作失灵而偏离目标。

　　美国海军实验室研制成功了多波段反舰战术电子战系统(MATES)，用于综合电子战系统(AIEWS)，这个系统采用的光源主要是光谱范围为中波红外和远红外波段的激光装置。

　　（4）工业加工

　　透明塑料对 1 μm波段的吸收较小，而大部分有机材料对 2 μm有足够的吸收，因此可以直接用于透明材料的切割、焊接、雕刻等加工领域。随着激光3D打印技术的日渐普及，透明有机材料的3D打印制造将会更快速地发展。

　　（5）气体监测

　　中红外波段集中了大量气体分子的吸收线，其吸收强度与近红外波段相比强2-3倍，因此，中红外激光用于微量气体探测领域具有广泛的民用价值。由于 CO2、CH4、C2H6 的吸收峰分别位于2.8 μm、3.2 μm、3.3 μm波段，连续中红外激光应用于分子光谱学，可使痕量气体监测的灵敏度更高。

　　中红外固体激光的产生技术

　　对固体激光技术来说，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。

　　掺杂离子直接发射是通过离子的能级跃迁来发射中红外波段光子。常用的固态激活离子包括稀土离子（Tm3+、Ho3+、Er3+等）和过渡金属离子（Fe2+、Cr2+等）。

　　非线性频率转换技术包括差频、光参量振荡、受激拉曼散射技术等，主要由非线性晶体的性质决定。

　　（1）掺铥固体激光器

　　铥激光的发射波段处在水分子的吸收峰（1.92-1.94 μm），因此铥激光应用于外科手术时，效率高、热损伤小，成为非常有潜力的一类医疗激光器。另外，掺铥激光器可作为掺钬激光系统和中红外参量激光的抽运源。

　　掺铥材料的吸收峰大约在 790 nm附近，适合半导体抽运。常见的掺铥基质材料有YAG、YLF、LuAG、YAP等。近年来，以倍半氧化物陶瓷作为基质的新型增益介质，如Tm:Lu2O3、Tm:(Lu,Sc)2O3也得到了广泛研究。

　　在基质材料晶体场的作用下，铥离子能级发生展宽，能级宽度和能带间隔各不相同，但基本特征相似，发射谱线主要集中在 1.9-2.1 μm之间。利用其荧光谱范围较宽的特点，加以调谐元件如体布拉格光栅，可实现窄线宽可调谐输出。

　　目前，掺铥固体激光器的厂家很少，大部分此波长的激光器都是光纤激光器。长春新产业光电技术有限公司研发的掺铥固体激光器有 1910 nm，1940 nm，1990 nm，具有光束质量好、功率稳定性高、可光纤耦合输出等优点，且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

　　2 μm波段相干光源在空气中有比较高的透过率，是风速测量、相干激光雷达、遥感探测等应用领域的理想光源。

　　掺杂钬离子的增益介质能直接产生 2.1 µm左右的激光。钬离子在可见光和 1.9 µm附近都有吸收峰，较早期的钬激光是用闪光灯抽运的，需在增益介质中加入共掺离子Tm3+等作为敏化剂，不利于常温下获得较高的转换效率。

　　目前较理想的途径是采用掺铥激光器产生的 1.9 µm 激光直接抽运钬晶体，或利用 1908 nm 左右的半导体激光器作为抽运源，可在室温下实现稳定高效的钬激光输出。

　　长春新产业光电技术有限公司可提供连续和脉冲运转 2096 nm，2121 nm，2124 nm，2130 nm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 跃迁在不同的基质中可产生 2.7～3 μm波段的激光，氙灯和LD抽运高掺杂浓度的铒材料可直接获得此波段激光。研究比较成熟的材料有Er:YAG，Er:YLF，Er:YSGG，Er:GSGG，Er:BYF等，近年来也有氧化物激光陶瓷作为基质材料的研究，如Er:LuO3，Er:Y2O3等。

　　GSGG晶体热导率低，存在严重的热透镜效应，难以实现高重复频率、高功率及高光束质量中红外激光输出；YSGG基质材料可用于低重复频率的中小功率固体激光器，且声子能量较低，多声子无辐射跃迁带来的影响小；

　　YAG晶体基质生长技术成熟、易于掺杂、热导率高、激光损伤阈值高，具有优良的物理、化学性能；相比于YAG晶体，YLF晶体结构应力与热应力都较大，存在一定的热透镜效应，晶体生长工艺较难；Er:YAG激光器抽运方式主要分为氙灯抽运、LD侧面抽运和LD端面抽运，能够输出高峰值功率、大能量的 2940 nm激光。

　　美国Sheaumann公司研制了1 W 2940 nm掺铒连续激光器。长春新产业光电技术有限公司可提供连续和脉冲运转 2700 nm，2790 nm，2800 nm，2830 nm，2940 nm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

　　过渡金属离子Cr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+在Ⅱ-Ⅵ族半导体材料中表现出较佳的中红外激光特性，特别是掺杂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较宽的调谐范围及较高的量子效率。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束入射到非线性晶体时，产生频率为两束入射光频率之差的新的激光，此过程即为差频过程。同其他任何非线性过程一样，此过程必须达到一定的阈值条件。基于差频技术，可以获得可见光到 30 µm范围内的光源，大部分情况下用来实现远红外波。

　　中红外光参量振荡激光器

　　如果把非线性介质放在光学共振腔内，抽运光入射到非线性晶体中，产生两个新的低频光（信号光和闲频光），抽运光、信号光及闲频光多次往返通过非线性介质，当信号光波和闲频光的增益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成激光振荡。

　　这就是光学参量振荡器（OPO）。通过谐振腔镜的镀膜设计，可以选择需要的激光频率输出。如图7所示。其中ωp为抽运光频率，ωs为信号光频率，ωi 为闲频光频率，并且满足 ωp＝ωs＋ωi 的关系。

　　图7 光参量振荡器的简单结构

　　光学参量振荡器的谐振腔可以同时对信号光和闲频光共振，也可以对其中一个频率谐振。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，即与光波长在晶体中的折射率有关，如果抽运光以固定波长入射，非线性晶体的折射率变化将改变信号光和闲频光的波长，从而得到新的相位匹配条件，实现波长调谐。

　　这种调谐可以利用各向异性晶体双折射与角度的关系实现角度调谐，或者改变温度来实现温度调谐；对周期极化晶体来说还可以改变晶体的周期进行周期调谐。

　　非线性晶体是中红外光参量振荡激光器的关键元件，常见的中红外非线性晶体有KTP、KTA、ZnGeP2（ZGP）、AgGaS2、LiNbO3（LN）、LiTaO3（LT）、PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA。PPLN、PPLT、PPKTP、PPKTA属于周期极化晶体，具有较高的转换效率，在PPLN、PPLT中掺入MgO可以提高晶体的损伤阈值。

　　目前，西班牙Radiantis公司是著名的光参量振荡器制造商，其Zenith产品是皮秒OPO激光系统。在市场上具有最高功率水平（1420-2000 nm＞4 W，2200-4200 nm＞2 W），脉冲宽度皮秒量级。

　　利用光参量振荡技术，长春新产业在中红外波段能实现 2600-4800 nm单波长或可调谐激光器产品。如图9所示，连续 3800 nm激光器输出功率大于 1 W， 输出光谱如图10所示。

　　图8 中红外光参量振荡激光器

　　图9 连续 3800 nm激光器输出功率

　　图10 输出光谱

　　中红外固体拉曼激光器

　　拉曼散射是物质分子与光子之间发生的非弹性散射现象，散射光子的能量与入射光子的能量不同，散射光子的频率向低频方向移动的过程，为斯托克斯（Stokes）散射，反之，叫做反斯托克斯(反Stokes)散射。

　　受激拉曼散射过程使散射具有受激发射的性质。当频率为ν0 的基频光入射到拉曼介质后，由受激拉曼散射产生频率为νs1 的一阶Stokes光子，当一阶Stokes光强达到阈值时将作为激发光产生频率为νs2 的二阶Stokes光。依次类推，这种效应成为级联受激拉曼散射。通过激光与拉曼介质的相互作用，可实现激光的频率转换，得到一些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、钨酸盐和硝酸盐类晶体，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)等。

　　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来说，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，其主要面临的技术问题在于Er3+离子输出中红外激光的上能级寿命过小带来的自终止效应，而针对高掺杂带来的问题，可通过改变环境条件，如采用低温环境；或通过优化结构设计进行热管理。

　　对光参量振荡器来说，随着晶体生长技术的成熟，我们能够得到通光孔径更大、品质更高的非线性晶体，2013 年，法国 Kemlin 等人就报道了 5 mm厚 MgO：PPLN 晶体，实现了大尺寸PPLN制备技术的飞跃，使 OPO 技术得到更好的推动，使 OPO 输出的参量指标更高。

　　但目前国内的晶体生长技术还稍微落后，极化厚度达到 2 mm时，极化不均匀，效率降低，限制了大功率的激光输出。另外，中红外镀膜材料的损伤阈值低同样限制了其向大能量方向的发展，但相信随着新材料的开发以及光学镀膜技术和激光器结构的不断革新，中红外激光器会实现更高的功率和效率。

　　目前，采用 ZGP的 OPO 激光器的输出功率已达到几十瓦，光-光转换效率也不断提高。新型晶体性能的提升使中红外激光器不断向高功率、窄线宽、宽波长调谐方向发展。通过抽运源及谐振腔的新型结构设计，使系统更紧凑，同时寿命长、效率高、重量轻，将是中红外激光器未来发展的必然趋势，其应用领域也会越来越广泛。

　　参考文献：

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　　3. 沈德元，范滇元，中红外激光器[M].国防工业出版社.2015

　　4. 孟东东, 张鸿博, 李明山,等.定向红外对抗系统中的激光器技术[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(11):150-159

　　5. Martin Schellhorn, Gerhard Spindler, Marc Eichhorn. Improvement of the beam quality of a high-pulse -energy mid-infrared fractionalimage-rotation-enhancement ZnGeP2 optical parametric oscillator[J]. Opt Lett, 2017, 42: 1185

　　作者简介：

　　郑权，中国科学院长春光机所二级研究员，长春新产业光电技术有限公司总经理，主要从事半导体激光器、固体激光器及光纤激光器的研发，涉及紫外、可见光和红外波段。

　　王金艳，长春新产业光电技术有限公司研发部工程师，硕士，主要从事中红外激光器的研发，可调谐激光器的研发。

　　陈曦，长春新产业光电技术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研发，单纵模全固态激光器及中红外激光器的研发。