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。
銀月光科技深耕健康智慧光源,向市場(chǎng)提供全品類(lèi)紫外UVA UVB UVC LED,紅外IR LED VCSEL產(chǎn)品和方案服務(wù),在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)擁有數(shù)百家優(yōu)質(zhì)合作伙伴,共同推動(dòng)用光科技創(chuàng)造健康智慧生活的事業(yè)。
審核編輯 黃昊宇
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