中红外激光器研究进展

中红外波段在基础科学、生物医学、环境监测、军事国防、安检安防、通信娱乐等诸多领域都有极其重要的应用。作为中红外技术的核心组成部分，覆盖宽光谱范围、高能量、高转换效率、小型化、室温运转的高性能中红外相干辐射源始终都是科研与应用领域的研究重点与热点。目前中红外激光器种类有很多，根据不同的产生原理，中红外激光器主要分为化学激光器、气体激光器、基于稀土或过渡金属离子掺杂的激光器、量子级联半导体激光器、基于非线性频率变换的激光器。

据银月光报道，近期，中国科学院沈阳自动化研究所祁峰研究员课题组在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“中红外激光器研究进展”为主题的综述文章。祁峰研究员主要从事微波、激光、雷达方面的研究工作。

这项研究综述了中红外激光器的研究进展，其波段涵盖了1.5–24 μm，从不同激光器的原理及特点出发，回顾每种激光器的发展历程，并展望其发展前景。

中红外化学激光器的优点是具有超高的功率，主要用于军事、光学武器等领域。化学激光器的基本原理是通过利用化学反应释放的能量，使物质原子产生相应的激发，实现粒子数的反转，最终实现激光的输出。目前，常见的化学激光器有氟化氢（HF）、氟化氘（DF）、溴化氢（HBr）、氯化氢（HCl）等，它们可以实现2.7μm、3.8μm和4.3μm左右的中红外输出。

气体激光器主要利用气体或蒸汽作为工作介质来产生激光，该激光器利用特定刺激下电子的碰撞和能量转移，使气体粒子达到高能级，形成粒子数的反转，并产生受激发射跃迁。化学激光器具有结构简单、成本低、操作舒适、工质均匀、光束质量好、长期运行稳定等优点。根据不同的气体，其能在不同的波长范围内激射出激光。

基于稀土离子或其他金属离子掺杂的激光器的核心思想是通过在激光晶体中掺杂其他杂质，使激光晶体的能级结构发生改变，杂质作为增益介质的一部分实现中红外输出，与其他类型激光器相比，该类激光器具有很高的转化效率。目前主要的掺杂杂质为稀土离子（Tm³⁺，Ho³⁺，Er³⁺）及过渡金属（Cr²⁺，Fe²⁺）。

量子级联半导体激光器（QCL）利用半导体导带子带之间的电子跃迁和声子共振支持隧穿来产生光放大，该类激光器的输出波长由导带子带之间的能量差选择，与半导体材料的禁带宽窄大小无关。因此，可以通过改变量子阱层的厚度及数量来控制波长。与传统的半导体激光器的受激辐射机制不同，量子级联半导体激光器的受激辐射只有电子介入，激射的波长大小可经过有源区的势垒和势阱的能带剪辑来控制。量子级联激光器的的级联过程是它的优势，通过结合量子化和量子隧道机理将多个量子阱结构串联，电子从高能级跃迁到低能级的过程中，非但没有损耗，还能加入到下一个进程中再次发光。这种级联过程能使这些电子反复循环，因而造就了一种让人惊奇的激光器。

非线性光学频率变换是利用非线性效应的频率变换，将近红外波段的激光转换为中红外激光输出的一种方法，其不再依赖增益介质中掺杂的离子能级特性，而是依赖于光在介质中与物质的相互作用，有和频（SFG）、光学参量(OPG)、光学参量振荡(OPO)、倍频（SHG）、差频(DFG)和光学参量放大(OPA)等几种方式。基于非线性光学频率变换技术的中红外激光器的核心器件为光学晶体，目前利用各类光学晶体产生中红外激光的最常用的方式为差频（DFG）和光学参量振荡（OPO）两种。

各种激光器各有优劣，在不同的领域都有其重要应用。化学激光器具有超高的功率，主要用于军事、光学武器等领域，但是会产生有害物质，且体积大、成本高，但是它在中红外波段2–5μm波段范围内的宽广覆盖，且其特有的超大功率与高质量光束令其仍具有不错的发展空间。

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