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中紅外固體激光器研究進展

發布日期:2019-07-23

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中紅外固體激光器研究進展
潘其坤      
摘要: 本文介紹了中紅外固體激光器中新型的Fe2+: ZnSe激光器和基于MgO: PPLN、ZnGeP2晶體的光參量振蕩器的發展現狀,討論了它們在發展過程中遇到的技術難題,探討了中紅外固體激光器的未來發展方向。波長為3~5 μm的中紅外固體激光器具有效率高、體積小和重量輕等優點,在工業、醫療、軍事等方面具有重要應用價值,研制大尺寸、高質量中紅外激光晶體和輸出波長更長的紅外高功率激光泵浦源已成為中紅外固體激光器未來發展方向之一。
關鍵詞: 固體激光    中紅外    Fe2+: ZnSe激光    光參量振蕩器    
Progress of mid-infrared solid-state laser
PAN Qi-kun      
Abstract: Mid-infrared solid lasers, such as new type of Fe2+: ZnSe laser and Optical Parameter Oscillator(OPO) based on MgO: PPLN, ZnGeP2 crystals, are reviewed in this paper. The scientific and technical problems of the mid-infrared solid laser are analyzed. The technical tendencies of mid-infrared solid laser are summarized. Based on the advantages of high efficiency, light weight and small volume, 3-5 μm mid-infrared solid-state laser sources have very important applications in the fields such as industry, medicine and military. The development of mid-infrared laser crystal with large bulk and high quality, and laser pump sources with high power and longer wavelength has become one of the developing trends for mid-infrared solid state laser in the future.
Key words: solid-state laser    mid-infrared    Fe2+: ZnSe laser    Optical Parameter Oscillator(OPO)    
1 引 言

中紅外波段3~5 μm是良好的大氣透射窗口,對應著物體的紅外輻射譜,具有對比度高及高濕度條件下穿透能力強等優點,在激光雷達、大氣遙感、激光醫療、光譜學、軍事等領域具有重要的應用價值[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]。

目前,固體激光器實現中紅外激光輸出有兩種常用的技術手段:一是以Fe2+離子摻雜的Ⅱ~Ⅵ族晶體為增益介質的固體激光器;二是采用光學頻率變換技術的光參量振蕩器(Optical Parameter Oscillator,OPO)??剎粼覨e2+離子實現中紅外激光輸出的Ⅱ~Ⅵ族晶體包括ZnS、ZnSe、ZnTe和CdSe等,它們對應的激光光譜范圍分別為:3.49~4.65 μm,3.77~5.05 μm,4.35~5.45 μm和4.7~6.1 μm[9, 10, 11, 12]。Fe2+∶ZnSe固體激光器具有非??淼奈沾?,同時它在中紅外波段具有很寬的波長調諧范圍,且輸出激光光束質量好[13, 14, 15],因此Fe2+∶ZnSe是摻Fe2+固體激光器中最受關注的激光光源。OPO是利用晶體的非線性效應將可見或近紅外激光的頻率變換到中紅外波段??捎糜謚瀉焱釵PO的非線性晶體主要有磷酸氧鈦鉀(KTP)、硒鎵銀(AgGaSe2)、磷鍺鋅(ZnGeP2) 、摻雜氧化鎂的周期性極化鈮酸鋰(MgO∶PPLN)等[16, 17, 18, 19]。KTP OPO發展較早,但受晶體通光波段限制,其輸出波長一般小于4 μm。AgGaSe2 OPO易于實現中紅外激光輸出,但其非線性晶體熱導率小,運轉過程中易產生熱透鏡效應,限制了該激光器的輸出功率。MgO∶PPLN OPO采用準相位匹配技術周期性地改變非線性極化率,消除了走離效應對光參量變換的影響,同時通過改變MgO∶PPLN晶體的極化周期可以方便地實現輸出波長調諧。因此,近年來采用MgO∶PPLN OPO獲得中紅外激光輸出受到了廣泛的關注[20, 21]。ZnGeP2晶體具有良好的導熱性和較高的非線性系數,發展較為成熟,是實現中紅外OPO激光輸出較好的技術手段,目前已采用該技術獲得了數十瓦的激光輸出。

本文重點闡述了Fe2+∶ZnSe和基于MgO∶PPLN、ZnGeP2晶體的OPO固體激光器實現中紅外激光輸出的技術途徑及研究進展,并分析了限制它們輸出性能的主要因素,提出了未來中紅外固體激光器的發展趨勢。

2 國內外研究現狀2.1 Fe2+∶ZnSe激光

將FeSe摻雜進入ZnSe基質,Fe2+部分取代正四面體晶格中心的Zn2+離子形成Fe2+∶ZnSe晶體。Fe2+的外層電子組態為1s22s22p63p63d6,其最外殼層3d6電子的基態5D在ZnSe正四面體晶體場中分裂為二重簡并的基態5E能級和三重簡并的激發態5T2能級,能級間隔對應中紅外波段。受到晶體場、自旋-軌道耦合作用,基態5E能級而分裂成5個等間距的能級結構(Γ1、Γ4、Γ3、Γ5、Γ2),能級間隔為15 cm-1,而激發態5T2三重態能級分別分裂成Γ1、Γ4、Γ5、Γ3、Γ4、Γ5 6個能級,Fe2+的能級結構如圖1所示。

圖 1 Fe2+∶ZnSe能級結構Fig.1 Energy level structure of Fe2+∶ZnSe

1999年,Adams首次提出了Fe2+∶ZnSe固體激光器,并在溫度低于18 K條件下,實現了高效率的4.0~4.5 μm激光輸出[22],之后,Fe2+∶ZnSe固體激光器迎來了蓬勃發展期。以美國和俄羅斯為首的科技強國對該激光器的研究投入了大量精力,受限于Fe2+∶ZnSe晶體室溫下超短的熒光壽命(370 ns)及短波紅外波段窄脈寬固體激光泵浦源的發展,開始幾年該激光器只能在低溫條件下工作。近年來隨著新技術、新機制泵浦源的發展,室溫條件下Fe2+∶ZnSe激光器逐漸實現了激光輸出,且輸出能量逐步提升。現將近年來的幾個較為重要的成果及發展歷程介紹如下。

2011年,美國阿拉巴馬大學Myoung等人采用了輸出波長為2.8 μm,脈沖寬度為20 ns,最大單脈沖能量為33 mJ的閃光燈泵浦主動調Q Er∶Cr∶YSGG激光器為泵浦源;利用熱擴散法制備了尺寸為8 mm×8 mm×3 mm的Fe2+∶ZnSe晶體,摻雜濃度為2×1019 cm-3,在236~300 K溫度范圍內實現了中紅外激光輸出,實驗裝置如圖2所示[23]。在室溫300 K時獲得最大單脈沖能量為3.6 mJ,斜效率為15.7%,輸出波長為4.37 μm;在236 K時,獲得最大單脈沖能量為4.7 mJ,斜效率為18.9%,輸出波長為4.3 μm。該實驗證實了通過增大泵浦源能量可成倍增加中紅外激光輸出,并指出泵浦源輸出水平是限制Fe2+∶ZnSe固體激光器能量提升的主要因素。

圖 2 主動調Q Er∶Cr∶YSGG激光泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器實驗裝置Fig.2 Fe2+∶ZnSe laser pumped by active Q-switch Er∶Cr∶YSGG laser

2012年,美國空軍實驗室的Evans采用雙端面泵浦技術實現了Fe2+∶ZnSe激光器的中紅外連續輸出,實驗裝置如圖3所示[15]。泵浦源為連續運轉的Er∶YAG激光,輸出波長為2 940 nm,單臺平均功率為1.5 W,總泵浦功率為3 W,光束質量M2≤2。采用熱擴散法制備的Fe2+∶ZnSe晶體摻雜濃度為9×1018 cm-3,尺寸為2 mm×6 mm×6 mm。在77 K時,Fe2+∶ZnSe激光器獲得了840 mW的4.14 μm連續激光輸出,最大斜效率達到了47%,光束質量M2≤1.2。該實驗采用兩臺泵浦源和雙端面同步泵浦的技術方案有效提升了泵浦能量,獲得了較高的平均功率輸出,但實驗中Fe2+∶ZnSe晶體需采用液氮制冷(室溫條件無法工作),使得其裝置變得復雜,實用性受限。

圖 3 雙端面泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器實驗原理圖Fig.3 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser with double end pump

2013年,俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所的Frolov采用閃光燈泵浦自由運轉的Er∶YAG激光器,獲得了高達8 J的2.94 μm脈沖泵浦源。運用該泵浦源泵浦Fe2+∶ZnSe晶體(摻雜濃度為2.6×1018 cm-3,尺寸為8 mm×8 mm×8 mm),在85 K的溫度下獲得了2.1 J的4.1 μm激光,其光-光轉換效率達到35%,斜效率達到51%;在溫度為245 K(采用熱電制冷可以獲得該溫度)時,實現了1.3 J的激光輸出,其光-光轉換效率達到23%,斜效率達到19%,實驗裝置如圖4所示[24]。受益于該泵浦源的自然尖峰脈沖特性,在295 K時實現了中紅外4.5 μm的激光輸出,此時泵浦閾值為1.8 J,最大單脈沖能量為42 mJ。這是目前固體激光器泵浦Fe2+∶ZnSe晶體獲得的最高輸出指標。該實驗雖然采用了頻率穩定性及幅值穩定性較差的脈沖泵浦源,但獲得了較高的能量輸出,驗證了Fe2+∶ZnSe激光器具有實現焦耳量級能量輸出的能力。

圖 4 自由運轉Er∶YAG激光器泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器實驗原理圖Fig.4 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by free-running Er∶YAG laser

2014年,華北光電技術研究所聯合哈爾濱工業大學報道了Fe2+∶ZnSe激光[25]研究成果。他們以熱擴散摻雜技術制備了Fe2+∶ZnSe晶體,摻雜濃度為1.27×1018cm-3,晶體尺寸為4 mm×4 mm×2 mm。采用波長為2.9 μm、重復頻率為1 kHz的泵浦源,當抽運功率為為1.4 W時,獲得了中心波長為4.45 μm,脈沖寬度為25 ns,平均功率67 mW的室溫中紅外激光輸出。這是國內首次報道Fe2+∶ZnSe固體激光器的實驗結果。

受限于Er3+離子較長的低能級壽命和較低的泵浦效率,目前研制室溫高能量、窄脈寬、高重頻的固體Er∶YAG激光泵浦源(2.94 μm)遇到了較大困難??悸塹紽e2+∶ZnSe晶體的吸收譜較寬(2.5~4.0 μm),采用其它泵浦源替代Er∶YAG光源實現Fe2+∶ZnSe中紅外激光室溫輸出備受關注。

2014,俄羅斯實驗物理研究所的Velikanov首次報道了采用化學HF激光泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器,實驗裝置如圖5所示[26]。非鏈式化學HF激光器在2.6~3.1 μm范圍內擁有數十條譜線,均在Fe2+∶ZnSe晶體的吸收譜范圍內,且高壓脈沖放電產生的激光脈沖寬度約為100~200 ns,非常適合于泵浦上能級壽命較短的Fe2+∶ZnSe激光[27, 28]。他們采用摻雜濃度高達1020 cm-3的Fe2+∶ZnSe晶體,受輻射截面為12 mm×7 mm時,室溫條件下獲得的最大中紅外激光脈沖能量為30.6 mJ,光光轉換效率為4.7%。

圖 5 HF激光泵浦的室溫Fe2+∶ZnSe激光器實驗原理圖Fig.5 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by HF laser at room temperature

2014年,俄羅斯科學院普通物理研究所Firsov驗證了室溫條件下采用化學HF激光泵浦Fe2+∶ZnSe激光器,實現更高能量輸出及光光轉換效率的可行性,實驗方案如圖6所示[14]。通過優化HF泵浦激光的光斑尺寸提升了室溫下Fe2+∶ZnSe激光器輸出性能,當泵浦光斑尺寸為6.8 mm×7.5 mm時獲得了最大單脈沖能量為192 mJ,相應的斜效率為29%;激光泵浦閾值為0.14 J/cm2,Fe2+∶ZnSe晶體的損傷閾值為3 J/cm2。后來,Firsov還驗證了室溫條件下采用重復頻率HF/DF激光泵浦Fe2+∶ZnSe激光器的可行性[29]。在室溫200 Hz的條件下,采用重復頻率非鏈式HF激光(2.6~3.1 μm)和DF激光(3.5~4.1 μm)泵浦Fe2+∶ZnSe晶體,分別獲得了1.2 W、0.7 W的4~5 μm中紅外激光輸出。采用非鏈式脈沖HF/DF激光器泵浦Fe2+∶ZnSe晶體易于在室溫條件下實現中紅外激光輸出,驗證了Fe2+∶ZnSe激光器在室溫條件下實現高能量輸出的可行性,但化學HF/DF激光器結構非常龐大、造價高,不利于在工程上推廣應用。

圖 6 高能量HF激光泵浦的室溫Fe2+∶ZnSe激光器實驗原理圖Fig.6 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by high energy HF laser at room temperature
2.2 MgO∶PPLN光參量振蕩器

PPLN晶體具有較高的非線性系數(d33=27.4 pm/V)、物化性能穩定及不易潮解等優點,是非常理想的非線性晶體。近年來,PPLN晶體MgO摻雜技術的應用大大提高了PPLN晶體的光折變損傷閾值(MgO∶PPLN晶體的抗光折變損傷能力是未摻MgO的PPLN的100倍)。這些特性使得基于MgO∶PPLN的準相位匹配OPO具有高效率、高功率、窄線寬、高光束質量中紅外激光輸出的潛能。通過控制MgO∶PPLN的極化周期、溫度,可實現3~5 μm全波段可調諧輸出,圖7給出了泵浦波長為1 064 nm時MgO∶PPLN晶體極化周期和溫度調諧曲線。

圖 7 基于MgO∶PPLN的OPO波長隨晶體極化周期、溫度調諧曲線Fig.7 Output wavelength tuning curves of MgO∶PPLN OPO with polarized periods and temperature

基于MgO∶PPLN的OPO出現較早,受益于其輸出波長的可調諧性和易于實現全固態輸出,該激光器的發展一直備受關注。近年來,隨著高功率光纖泵浦源及大尺寸MgO∶PPLN晶體生長工藝的發展,基于MgO∶PPLN的OPO激光輸出能量逐步提升。現將近年來的幾個較為重要的成果及發展歷程介紹如下。

2009年,華中科技大學夏林中等人以1.064 μm的Nd∶YAG激光器為泵浦源,采用MgO∶PPLN為OPO晶體實現了中紅外激光輸出[30]。聲光調Q Nd∶YAG激光器脈寬為150 ns,重復頻率為10 kHz,輸出平均功率為8.17 W。MgO在PPLN晶體內的摻雜濃度為5%,晶體尺寸40 mm×10 mm×2 mm,晶體極化周期范圍為26~31 μm,調諧增量為0.5 μm。受限于晶體的生長工藝,很難生長出大尺寸MgO∶PPLN晶體,為此他們將兩塊2 mm厚的晶體并聯以增大MgO∶PPLN晶體體積,其實驗原理如圖8所示。聯合極化周期和溫度調諧,實現了閑頻光在3~4.95 μm范圍內可調諧輸出。最大閑頻光輸出功率為2.23 W(波長為3.344 μm),光光轉換效率為27.4%。該實驗展示了Nd∶YAG激光泵浦的OPO中紅外激光的輸出能力,并指明MgO∶PPLN晶體尺寸是限制中紅外OPO激光輸出功率的主要因素。因此,采用多塊MgO∶PPLN晶體并聯的技術方案可有效提升激光器的光-光轉換效率。

圖 8 雙MgO∶PPLN的中紅外OPO實驗原理圖Fig.8 Experimental setup of the OPO based on twin-MgO∶PPLN cascaded

2010年,西班牙光子科學研究所Kokabee等人報道了一種皮秒中紅外OPO激光器,其實驗裝置如圖9所示[31]。泵浦光為被動鎖模摻鐿光纖激光器(1 064 nm),重復頻率為81.1 MHz,脈沖寬度為20.8 ps,最大泵浦功率為20 W。MgO∶PPLN晶體為臺灣HC公司提供,晶體長度為50 mm,厚度為1 mm,極化周期范圍28.5~30.5 μm。他們采用了四鏡駐波腔提升了OPO激光的提取效率,在16 W的泵浦功率時,獲得了7.1 W(1.47 μm)的信號光和4.9 W(3.08 μm)的閑頻光,總提取效率達到了68%,激光脈沖寬度為17.3 ps。2013年,他們通過增加駐波腔腔長ΔL=L0/Q(L0為相應于泵浦光重復頻率的基礎腔長,Q為OPO輸出相應于泵浦光的Q次諧波),實現了中紅外激光輸出重復頻率增加,在泵浦光為80 MHz時,實現了7 GHz的中紅外激光輸出[32]。2014年,他們還報道了采用兩塊MgO∶PPLN晶體共用一個六鏡駐波腔實現雙信號光、雙閑頻光同步可調諧輸出的技術方案,能量提取效率達到了44%[33]。他們的實驗研究展示了OPO激光器在超短脈沖、超高頻率方面的輸出能力和四鏡(六鏡)駐波腔雙諧振輸出在提升激光能量提取效率方面的優勢,但該實驗裝置對加工、裝調的精準度要求極高,同時對環境(溫度、振動等)也有苛刻的要求,工程上難以實現。

圖 9 光纖泵浦的ps中紅外OPO激光Fig.9 Mid-infrared ps OPO laser pumped by fiber laser

2013年,法國約瑟夫傅立葉大學的Kemlin等人報道了。晶體尺寸為5 mm×16 mm×40 mm的MgO∶PPLN OPO激光[34],調諧周期為28 μm,晶體端面加工成柱面,如圖10所示。他們通過旋轉晶體改變了晶體的有效調諧周期(deff=d/cosθ,入射角θ變化范圍0~30°),通過旋轉晶體,他們在室溫(21 ℃)條件下實現了1.4~4.3 μm全波段可調諧輸出。該實驗展示了大體積MgO∶PPLN晶體在室溫條件下的OPO性能,為提升中紅外OPO激光輸出水平奠定了基礎。

圖 10 大體積MgO∶PPLN晶體Fig.10 Large bulk MgO∶PPLN crystal

2014年,山東大學劉善德等人報道了有益于工程化的單諧振腔中紅外OPO激光器,其實驗裝置如圖11所示[35]。泵浦源摻鐿光纖激光器的輸出功率為20 W,波長為1 064 nm,光束直徑為6 mm,M2因子為1.01。多級MgO∶PPLN晶體尺寸為50 mm×1 mm,極化周期范圍為28.5~31.5 μm,周期遞增量為0.5 μm。通過極化周期和溫度調諧,實現了閑頻光在3.0~3.9 μm范圍內連續調節。在3.0 m波長處獲得了3 W的中紅外激光輸出,在中紅外常用的3.8 μm波長處獲得了近1 W的激光輸出,光-光轉換效率高于10%。該實驗展示了單諧振OPO激光器的輸出性能,并指出泵浦源輸出功率是限制中紅外OPO激光輸出功率的主要因素。該實驗采用了功率提升潛力較大、光束質量較好的光纖激光泵浦,結構、裝調較為簡易,非常利用工程實現。

圖 11 光纖泵浦的單諧振中紅外OPO激光Fig.11 Single-resonator mid-infrared OPO laser pumped by Yb-Fiber laser
2.3 ZnGeP2光參量振蕩器

ZnGeP2晶體是重要的紅外非線性光學材料,它具有非常高的非線性系數(d14=75.0 pm/V)、良好的熱導率和弱熱透鏡效應,其光損傷閾值達到30 GW/cm2。由于ZnGeP2晶體優異的性能,利用它作為OPO的非線性光學頻率轉換材料,可實現中紅外激光器的全固態化、大功率輸出。但是該晶體中本征點缺陷引起的光吸收和光散射將導致它在近紅外1~2 μm波段透過率較低[36],因此,為了獲得高平均功率輸出,一般采用波長大于2 μm的泵浦源(Ho∶YAG固體激光器和KTP OPO)。近年來,為了簡化激光器結構,提升穩定性,研究人員采用摻銩光纖激光器(1.9 μm)直接泵浦ZnGeP2。表1給出了最新報道的中紅外ZnGeP2 OPO的主要參數。

表 1 中紅外ZnGeP2OPO主要參數Table 1 Main parameters of mid-infrared ZnGeP2OPO
年代 研究單位 泵浦源(波長、能量/ 
功率、重頻、脈寬)
ZnGeP2晶體尺寸 中紅外輸出參數 
(波長、能量/功率)
轉換效率
2010 Norwegiandefence research 
establishment,Norway[37]
Ho∶YAG,2.1 μm,39 W,45 kHz,32 ns 8.5 mm× 6 mm×8 mm 信號光3.9 μm,閑頻光4.5 μm,22 W 光光效率58%,斜效率75%
2011 中國工程物理研究院[38] KTP OPO,2.1 μm,15 W,8 kHz 8 mm×6 mm× 18 mm 信號光4. 1μm,閑頻 光4.32 μm,5.7 W 斜效率46.6%
2013 Defence Science and Technology 
Organisation,Australia[39]
Ho∶YAG,2.1 μm,62 W,35 kHz,50 ns 長度16 mm的兩塊 ZnGeP 2晶體串聯 3~5 μm,27 W 光光效率62%,斜效率69%
2014 哈爾濱工業大學[40] Ho∶LuAG,2.1 μm,13.1 W,5 kHz 長度18 mm 3~5 μm,5.51 W 斜效率59%
2014 University of Central 
Florida,USA[41]
Tm∶fiber,1.98 μm,0.84 mJ,4 kHz,7 ns 12 mm× 5 mm×4 mm 3~5 μm,165 μJ,峰值功率28 kW 斜效率49%
2014 哈爾濱工業大學[42] Ho∶YAG,2.1 μm,107 W,20 kHz, 23 mm×6 mm×6 mm 兩塊晶體并聯 信號光3.94 μm,閑 頻光4.5 μm,41.2 W 斜效率44.6%
2015 French-German Research Institute 
of Saint-Louis ISL,France[43]
Tm∶fiber,1.98 μm,20 W,40 kHz,65 ns 18 m× 4 mm×4 mm 3~5 μm,6.5 W,40 kHz,45 ns 光光效率32%,斜效率40%
3 中紅外固體激光技術展望

中紅外固體激光器是最有希望獲得高功率激光輸出的小體積激光器件。目前Fe2+∶ZnSe、MgO∶PPLN OPO和ZnGeP2 OPO固體激光器均在中紅外波段實現了激光輸出,輸出水平逐漸提升,且兩種激光器均有較大的發展空間。

Fe2+∶ZnSe激光器室溫時上能級壽命較短,這對其泵浦源脈沖寬度提出了較高的要求。俄羅斯科研工作者采用化學HF/DF激光器作為泵浦源有效解決了泵浦難題,在室溫條件下,實現了Fe2+∶ZnSe激光器較高的能量輸出。但HF/DF激光泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器具有體積大、結構復雜的缺點,因此室溫全固態高功率中紅外Fe2+∶ZnSe固體激光器成為其發展方向。

基于MgO∶PPLN的OPO固體激光器發展較早,目前國內外科研工作者均采用極化周期及溫度調諧的技術手段實現了全波段可調諧輸出。受MgO∶PLN晶體生長工藝的限制,難以獲得大體積、高質量的非線性晶體,且該晶體光損傷閾值較低,這些因素都大大限制了泵浦光注入能量,也成為限制中紅外OPO高功率激光輸出的瓶頸技術。目前OPO激光光學變換常用的泵浦光λp波長為1 064 nm,其信號光λs輻射波長為1.3~1.6 μm,而中紅外激光為閑頻光λi,其波長涵蓋3.0~5 μm。由于三波(泵浦光、信號光、閑頻光)變換滿足能量守恒,即:1/λp=1/λi+1/λs,一個泵浦光子通過非線性過程轉換成一個信號光子和一個閑頻光子,由于波長越短,單光子能量越高,因此OPO過程中波長較短的信號光占據多數泵浦能量,這就限制了閑頻光的光-光轉換效率。采用波長更長的泵浦光可有效提升中紅外閑頻光的光-光轉換效率。綜上所述,基于MgO∶PPLN晶體的OPO固體激光器發展方向為研制大體積、高質量的MgO∶PPLN晶體和輸出波長更長的紅外高功率激光泵浦源。

基于ZnGeP2的OPO固體激光器發展較為成熟,目前采用該技術獲得了最高功率的中紅外固體OPO輸出。但是ZnGeP2 OPO實現過程較為復雜,通常的技術方案為采用半導體激光泵浦摻銩激光晶體獲得1.9 μm激光,進而運用該1.9 μm銩激光泵浦摻鈥激光晶體獲得2.1 μm激光,最后用2.1 μm鈥激光泵浦ZnGeP2晶體實現中紅外OPO輸出。多級泵浦體制限制了ZnGeP2 OPO穩定性、可靠性,增加了成本及技術復雜度。摻銩光纖激光器直接泵浦ZnGeP2 OPO實現了中紅外輸出,雖然目前該方案輸出功率較低,但是省去了銩激光泵浦鈥激光這一中間過程,簡化了激光器結構,是未來ZnGeP2 OPO的發展方向。

4 結束語

縱觀近年來Fe2+∶ZnSe激光器和基于MgO∶PPLN、ZnGeP2晶體的OPO固體激光器的發展,它們的輸出功率、光光轉換效率、波長調諧等方面都取得了長足的進步。Fe2+∶ZnSe激光器是一種新型的固體激光器,目前美國和俄羅斯的發展水平最高,俄羅斯采用了化學HF/DF激光泵浦Fe2+∶ZnSe激光器,獲得了室溫高峰值功率中紅外激光輸出?;贛gO∶PPLN晶體的OPO固體激光器采用準相位匹配技術,克服了三波耦合過程的走離效應,獲得了較高的光光轉換效率?;赯nGeP2晶體的OPO是目前獲得平均功率最高的中紅外固體激光輸出的技術途徑。在中紅外固體激光器發展過程中,上述激光器在激光輸出功率提升方面均有較大的空間,相信隨著晶體生長工藝的提升及高功率短波紅外激光泵浦源的發展,中紅外固體激光器輸出功率水平還將穩步提升。

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