中紅外激光器研究進(jìn)展

中紅外波段在基礎(chǔ)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事國(guó)防、安檢安防、通信娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域都有極其重要的應(yīng)用。作為中紅外技術(shù)的核心組成部分，覆蓋寬光譜范圍、高能量、高轉(zhuǎn)換效率、小型化、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的高性能中紅外相干輻射源始終都是科研與應(yīng)用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。目前中紅外激光器種類(lèi)有很多，根據(jù)不同的產(chǎn)生原理，中紅外激光器主要分為化學(xué)激光器、氣體激光器、基于稀土或過(guò)渡金屬離子摻雜的激光器、量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器、基于非線(xiàn)性頻率變換的激光器。

據(jù)銀月光報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所祁峰研究員課題組在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“中紅外激光器研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。祁峰研究員主要從事微波、激光、雷達(dá)方面的研究工作。

這項(xiàng)研究綜述了中紅外激光器的研究進(jìn)展，其波段涵蓋了1.5–24 μm，從不同激光器的原理及特點(diǎn)出發(fā)，回顧每種激光器的發(fā)展歷程，并展望其發(fā)展前景。

中紅外化學(xué)激光器的優(yōu)點(diǎn)是具有超高的功率，主要用于軍事、光學(xué)武器等領(lǐng)域。化學(xué)激光器的基本原理是通過(guò)利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量，使物質(zhì)原子產(chǎn)生相應(yīng)的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)激光的輸出。目前，常見(jiàn)的化學(xué)激光器有氟化氫（HF）、氟化氘（DF）、溴化氫（HBr）、氯化氫（HCl）等，它們可以實(shí)現(xiàn)2.7μm、3.8μm和4.3μm左右的中紅外輸出。

氣體激光器主要利用氣體或蒸汽作為工作介質(zhì)來(lái)產(chǎn)生激光，該激光器利用特定刺激下電子的碰撞和能量轉(zhuǎn)移，使氣體粒子達(dá)到高能級(jí)，形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷?；瘜W(xué)激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作舒適、工質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)不同的氣體，其能在不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)激射出激光。

基于稀土離子或其他金屬離子摻雜的激光器的核心思想是通過(guò)在激光晶體中摻雜其他雜質(zhì)，使激光晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，雜質(zhì)作為增益介質(zhì)的一部分實(shí)現(xiàn)中紅外輸出，與其他類(lèi)型激光器相比，該類(lèi)激光器具有很高的轉(zhuǎn)化效率。目前主要的摻雜雜質(zhì)為稀土離子（Tm3+，Ho3+，Er3+）及過(guò)渡金屬（Cr2+，F(xiàn)e2+）。

量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器（QCL）利用半導(dǎo)體導(dǎo)帶子帶之間的電子躍遷和聲子共振支持隧穿來(lái)產(chǎn)生光放大，該類(lèi)激光器的輸出波長(zhǎng)由導(dǎo)帶子帶之間的能量差選擇，與半導(dǎo)體材料的禁帶寬窄大小無(wú)關(guān)。因此，可以通過(guò)改變量子阱層的厚度及數(shù)量來(lái)控制波長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器的受激輻射機(jī)制不同，量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器的受激輻射只有電子介入，激射的波長(zhǎng)大小可經(jīng)過(guò)有源區(qū)的勢(shì)壘和勢(shì)阱的能帶剪輯來(lái)控制。量子級(jí)聯(lián)激光器的的級(jí)聯(lián)過(guò)程是它的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)合量子化和量子隧道機(jī)理將多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)串聯(lián)，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的過(guò)程中，非但沒(méi)有損耗，還能加入到下一個(gè)進(jìn)程中再次發(fā)光。這種級(jí)聯(lián)過(guò)程能使這些電子反復(fù)循環(huán)，因而造就了一種讓人驚奇的激光器。

非線(xiàn)性光學(xué)頻率變換是利用非線(xiàn)性效應(yīng)的頻率變換，將近紅外波段的激光轉(zhuǎn)換為中紅外激光輸出的一種方法，其不再依賴(lài)增益介質(zhì)中摻雜的離子能級(jí)特性，而是依賴(lài)于光在介質(zhì)中與物質(zhì)的相互作用，有和頻（SFG）、光學(xué)參量(OPG)、光學(xué)參量振蕩(OPO)、倍頻（SHG）、差頻(DFG)和光學(xué)參量放大(OPA)等幾種方式。基于非線(xiàn)性光學(xué)頻率變換技術(shù)的中紅外激光器的核心器件為光學(xué)晶體，目前利用各類(lèi)光學(xué)晶體產(chǎn)生中紅外激光的最常用的方式為差頻（DFG）和光學(xué)參量振蕩（OPO）兩種。

各種激光器各有優(yōu)劣，在不同的領(lǐng)域都有其重要應(yīng)用。化學(xué)激光器具有超高的功率，主要用于軍事、光學(xué)武器等領(lǐng)域，但是會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，且體積大、成本高，但是它在中紅外波段2–5μm波段范圍內(nèi)的寬廣覆蓋，且其特有的超大功率與高質(zhì)量光束令其仍具有不錯(cuò)的發(fā)展空間。

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審核編輯 黃昊宇