中紅外激光的應用

　　中紅外波段是指處在紅外波長範圍內(nei) 的某一波段，由於(yu) 應用需求不同，在不同的應用領域對中紅外波長的範圍有著不同的定義(yi) 。國際照明協會(hui) 把中紅外定義(yi) 為(wei) 3-1000 μm；在軍(jun) 事上一般限定在 3-5 μm；在激光技術領域，中紅外激光波長範圍一般指 2-5 μm波段。

　　（1）空間通信

　　中紅外波段位於(yu) 大氣的吸收窗口，從(cong) 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%，小部分波長由於(yu) CO2、H2O、O3分子的吸收透過率很低。因此中紅外激光可實現在大氣中的遠距離傳(chuan) 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 波段實現的空間激光通信係統方案如圖2所示。

　　圖2 中紅外空間激光通信係統示意圖

　　待傳(chuan) 輸的高速數據通過編碼，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，然後經過光功率放大以及發射天線擴束，擴束的目的是壓縮光束發散角，降低激光束在大氣傳(chuan) 播時的發散損耗，再經由大氣信道傳(chuan) 輸後到達接收端，經接收天線傳(chuan) 輸並由中紅外光電探測器進行光-電轉換，最後經線路解碼器等數據處理單元進行數據處理後，得到原始傳(chuan) 輸的高速數據。

　　(2)醫療應用

　　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(chan) 生的熱效應，可以實現快速止血，減少手術對人體(ti) 組織的破壞，因此該波段的激光器廣泛應用於(yu) 臨(lin) 床外科手術中。

　　已經應用於(yu) 臨(lin) 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、咽後壁濾泡增生、下鼻甲肥大等鼻部手術，內(nei) 膜移位症，腺性膀胱炎、前列腺肥大、碎石、激光心肌打孔手術，關(guan) 節滑膜切除、關(guan) 節囊腫及其它軟組織切除術及骨性關(guan) 節炎治療等。

　　這種醫療方法有出血少或無，不需填塞，損傷(shang) 小，傷(shang) 麵愈合快，手術方法簡單等優(you) 點。

　　圖3 水的吸收譜

　　（3）軍(jun) 事應用

　　定向紅外幹擾技術是一種紅外有源幹擾技術，將激光器光束達到一定的擴束比後，當有導彈逼近時，使用跟蹤設備把幹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(jun) 實驗室研製成功了多波段反艦戰術電子戰係統(MATES)，用於(yu) 綜合電子戰係統(AIEWS)，這個(ge) 係統采用的光源主要是光譜範圍為(wei) 中波紅外和遠紅外波段的激光裝置。

　　（4）工業(ye) 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，因此可以直接用於(yu) 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打印製造將會(hui) 更快速地發展。

　　（5）氣體(ti) 監測

　　中紅外波段集中了大量氣體(ti) 分子的吸收線，其吸收強度與(yu) 近紅外波段相比強2-3倍，因此，中紅外激光用於(yu) 微量氣體(ti) 探測領域具有廣泛的民用價(jia) 值。由於(yu) CO2、CH4、C2H6 的吸收峰分別位於(yu) 2.8 μm、3.2 μm、3.3 μm波段，連續中紅外激光應用於(yu) 分子光譜學，可使痕量氣體(ti) 監測的靈敏度更高。

　　中紅外固體(ti) 激光的產(chan) 生技術

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

　　摻雜離子直接發射是通過離子的能級躍遷來發射中紅外波段光子。常用的固態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(ti) 的性質決(jue) 定。

　　（1）摻銩固體(ti) 激光器

　　銩激光的發射波段處在水分子的吸收峰（1.92-1.94 μm），因此銩激光應用於(yu) 外科手術時，效率高、熱損傷(shang) 小，成為(wei) 非常有潛力的一類醫療激光器。另外，摻銩激光器可作為(wei) 摻鈥激光係統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(ti) 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(wei) 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(ti) 場的作用下，銩離子能級發生展寬，能級寬度和能帶間隔各不相同，但基本特征相似，發射譜線主要集中在 1.9-2.1 μm之間。利用其熒光譜範圍較寬的特點，加以調諧元件如體(ti) 布拉格光柵，可實現窄線寬可調諧輸出。

　　目前，摻銩固體(ti) 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(chan) 業(ye) 光電技術有限公司研發的摻銩固體(ti) 激光器有 1910 nm，1940 nm，1990 nm，具有光束質量好、功率穩定性高、可光纖耦合輸出等優(you) 點，且可根據客戶需求定製。

　　圖4 摻銩中紅外固體(ti) 激光器

　　（2）摻鈥固體(ti) 激光器

　　2 μm波段相幹光源在空氣中有比較高的透過率，是風速測量、相幹激光雷達、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(chan) 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(wei) 敏化劑，不利於(yu) 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(chan) 生的 1.9 µm 激光直接抽運鈥晶體(ti) ，或利用 1908 nm 左右的半導體(ti) 激光器作為(wei) 抽運源，可在室溫下實現穩定高效的鈥激光輸出。

　　長春新產(chan) 業(ye) 光電技術有限公司可提供連續和脈衝(chong) 運轉 2096 nm，2121 nm，2124 nm，2130 nm摻鈥固體(ti) 激光器。

　　圖5 摻鈥中紅外固體(ti) 激光器

　　（3）摻鉺固體(ti) 激光器

　　Er3+ 的 4Ⅰ11 /2 →4Ⅰ13 /2 躍遷在不同的基質中可產(chan) 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(wei) 基質材料的研究，如Er:LuO3，Er:Y2O3等。

　　GSGG晶體(ti) 熱導率低，存在嚴(yan) 重的熱透鏡效應，難以實現高重複頻率、高功率及高光束質量中紅外激光輸出；YSGG基質材料可用於(yu) 低重複頻率的中小功率固體(ti) 激光器，且聲子能量較低，多聲子無輻射躍遷帶來的影響小；

　　YAG晶體(ti) 基質生長技術成熟、易於(yu) 摻雜、熱導率高、激光損傷(shang) 閾值高，具有優(you) 良的物理、化學性能；相比於(yu) YAG晶體(ti) ，YLF晶體(ti) 結構應力與(yu) 熱應力都較大，存在一定的熱透鏡效應，晶體(ti) 生長工藝較難；Er:YAG激光器抽運方式主要分為(wei) 氙燈抽運、LD側(ce) 麵抽運和LD端麵抽運，能夠輸出高峰值功率、大能量的 2940 nm激光。

　　美國Sheaumann公司研製了1 W 2940 nm摻鉺連續激光器。長春新產(chan) 業(ye) 光電技術有限公司可提供連續和脈衝(chong) 運轉 2700 nm，2790 nm，2800 nm，2830 nm，2940 nm摻鉺固體(ti) 激光器。

　　圖6 摻鉺中紅外固體(ti) 激光器

　　（4）過渡金屬元素鉻鐵摻雜固體(ti) 激光

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

　　（5）基於(yu) 非線性技術的中紅外激光器

　　差頻中紅外固體(ti) 激光器

　　當兩(liang) 束具有頻率差的激光束入射到非線性晶體(ti) 時，產(chan) 生頻率為(wei) 兩(liang) 束入射光頻率之差的新的激光，此過程即為(wei) 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。基於(yu) 差頻技術，可以獲得可見光到 30 µm範圍內(nei) 的光源，大部分情況下用來實現遠紅外波。

　　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(nei) ，抽運光入射到非線性晶體(ti) 中，產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 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於(yu) 它們(men) 在共振腔內(nei) 的損耗時，便在共振腔內(nei) 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(wei) 抽運光頻率，ωs為(wei) 信號光頻率，ωi 為(wei) 閑頻光頻率，並且滿足 ωp＝ωs＋ωi 的關(guan) 係。

　　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(ge) 頻率諧振。前者通常稱為(wei) 雙諧振參量振蕩器(DRO)，後者通常稱為(wei) 單諧振光學參量振蕩器(SRO)。

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

　　這種調諧可以利用各向異性晶體(ti) 雙折射與(yu) 角度的關(guan) 係實現角度調諧，或者改變溫度來實現溫度調諧；對周期極化晶體(ti) 來說還可以改變晶體(ti) 的周期進行周期調諧。

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

　　目前，西班牙Radiantis公司是著名的光參量振蕩器製造商，其Zenith產(chan) 品是皮秒OPO激光係統。在市場上具有最高功率水平（1420-2000 nm＞4 W，2200-4200 nm＞2 W），脈衝(chong) 寬度皮秒量級。

　　利用光參量振蕩技術，長春新產(chan) 業(ye) 在中紅外波段能實現 2600-4800 nm單波長或可調諧激光器產(chan) 品。如圖9所示，連續 3800 nm激光器輸出功率大於(yu) 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 3800 nm激光器輸出功率

　　圖10 輸出光譜

　　中紅外固體(ti) 拉曼激光器

　　拉曼散射是物質分子與(yu) 光子之間發生的非彈性散射現象，散射光子的能量與(yu) 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(wei) 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射的性質。當頻率為(wei) ν0 的基頻光入射到拉曼介質後，由受激拉曼散射產(chan) 生頻率為(wei) νs1 的一階Stokes光子，當一階Stokes光強達到閾值時將作為(wei) 激發光產(chan) 生頻率為(wei) νs2 的二階Stokes光。依次類推，這種效應成為(wei) 級聯受激拉曼散射。通過激光與(yu) 拉曼介質的相互作用，可實現激光的頻率轉換，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(ti) 拉曼介質主要是釩酸鹽、鎢酸鹽和硝酸鹽類晶體(ti) ，如釩酸釔(YVO4)、鎢酸鉀釓晶體(ti) (KGW)、鎢酸鋇(BaWO4)、釩酸釓晶體(ti) (GdVO4)、硝酸鋇(BaNO3)等。

　　中紅外激光器的發展前景

　　目前，對於(yu) 高功率中紅外固體(ti) 激光器來說，製約其發展的因素主要在於(yu) 增益介質和鍍膜技術。以摻鉺激光器為(wei) 例，其主要麵臨(lin) 的技術問題在於(yu) 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，可通過改變環境條件，如采用低溫環境；或通過優(you) 化結構設計進行熱管理。

　　對光參量振蕩器來說，隨著晶體(ti) 生長技術的成熟，我們(men) 能夠得到通光孔徑更大、品質更高的非線性晶體(ti) ，2013 年，法國 Kemlin 等人就報道了 5 mm厚 MgO：PPLN 晶體(ti) ，實現了大尺寸PPLN製備技術的飛躍，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(nei) 的晶體(ti) 生長技術還稍微落後，極化厚度達到 2 mm時，極化不均勻，效率降低，限製了大功率的激光輸出。另外，中紅外鍍膜材料的損傷(shang) 閾值低同樣限製了其向大能量方向的發展，但相信隨著新材料的開發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(hui) 實現更高的功率和效率。

　　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(ti) 性能的提升使中紅外激光器不斷向高功率、窄線寬、寬波長調諧方向發展。通過抽運源及諧振腔的新型結構設計，使係統更緊湊，同時壽命長、效率高、重量輕，將是中紅外激光器未來發展的必然趨勢，其應用領域也會(hui) 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(chan) 業(ye) 光電技術有限公司總經理，主要從(cong) 事半導體(ti) 激光器、固體(ti) 激光器及光纖激光器的研發，涉及紫外、可見光和紅外波段。

　　王金豔，長春新產(chan) 業(ye) 光電技術有限公司研發部工程師，碩士，主要從(cong) 事中紅外激光器的研發，可調諧激光器的研發。

　　陳曦，長春新產(chan) 業(ye) 光電技術有限公司研發部部長，碩士，主要從(cong) 事超短脈衝(chong) 全固態激光器研發，單縱模全固態激光器及中紅外激光器的研發。