（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033）

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033）

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(fā)展現(xiàn)狀，討論了它們在發(fā)展過程中遇到的技術(shù)難題，探討了中紅外固體激光器的未來發(fā)展方向。波長為3～5μm的中紅外固體激光器具有效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值，研制大尺寸、高質(zhì)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(fā)展方向之一。

固體激光器；中紅外；Fe2+∶ZnSe激光器；光參量振蕩器

1 引言

中紅外波段3～5μm是良好的大氣透射窗口，對應(yīng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、大氣遙感、激光醫(yī)療、光譜學(xué)、軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值［1-8］。

目前，固體激光器實(shí)現(xiàn)中紅外激光輸出有兩種常用的技術(shù)手段：一是以Fe2+離子摻雜的Ⅱ～Ⅵ族晶體為增益介質(zhì)的固體激光器；二是采用光學(xué)頻率變換技術(shù)的光參量振蕩器（Optical Parameter Oscillator，OPO）?？蓳诫sFe2+離子實(shí)現(xiàn)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(yīng)的激光光譜范圍分別為：3.49～4.65μm，3.77～5.05μm，4.35～5.45μm和4.7～6.1μm［9-12］。Fe2+∶ZnSe固體激光器具有非常寬的吸收帶寬，同時(shí)它在中紅外波段具有很寬的波長調(diào)諧范圍，且輸出激光光束質(zhì)量好［13-15］，因此Fe2+∶ZnSe是摻Fe2+固體激光器中最受關(guān)注的激光光源。OPO是利用晶體的非線性效應(yīng)將可見或近紅外激光的頻率變換到中紅外波段。可用于中紅外OPO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［16-19］。KTP OPO發(fā)展較早，但受晶體通光波段限制，其輸出波長一般小于4μm。AgGaSe2OPO易于實(shí)現(xiàn)中紅外激光輸出，但其非線性晶體熱導(dǎo)率小，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，限制了該激光器的輸出功率。MgO∶PPLN OPO采用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)周期性地改變非線性極化率，消除了走離效應(yīng)對光參量變換的影響，同時(shí)通過改變MgO∶PPLN晶體的極化周期可以方便地實(shí)現(xiàn)輸出波長調(diào)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(guān)注［20-21］。ZnGeP2晶體具有良好的導(dǎo)熱性和較高的非線性系數(shù)，發(fā)展較為成熟，是實(shí)現(xiàn)中紅外OPO激光輸出較好的技術(shù)手段，目前已采用該技術(shù)獲得了數(shù)十瓦的激光輸出。

本文重點(diǎn)闡述了Fe2+∶ZnSe和基于MgO∶PPLN、ZnGeP2晶體的OPO固體激光器實(shí)現(xiàn)中紅外激光輸出的技術(shù)途徑及研究進(jìn)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(fā)展趨勢。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 Fe2+∶ZnSe激光器

將FeSe摻雜進(jìn)入ZnSe基質(zhì)，F(xiàn)e2+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(tài)為1s22s22p63p63d6，其最外殼層3d6電子的基態(tài)5D在ZnSe正四面體晶體場中分裂為二重簡并的基態(tài)5E能級(jí)和三重簡并的激發(fā)態(tài)5T2能級(jí)，能級(jí)間隔對應(yīng)中紅外波段。受到晶體場、自旋-軌道耦合作用，基態(tài)5E能級(jí)而分裂成5個(gè)等間距的能級(jí)結(jié)構(gòu)（Γ1、Γ4、Γ3、Γ5、Γ2），能級(jí)間隔為15cm—1，而激發(fā)態(tài)5T2三重態(tài)能級(jí)分別分裂成Γ1、Γ4、Γ5、Γ3、Γ4、Γ56個(gè)能級(jí)，F(xiàn)e2+的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Fe2+∶ZnSe能級(jí)結(jié)構(gòu)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18K條件下，實(shí)現(xiàn)了高效率的4.0～4.5μm激光輸出［22］，之后，F(xiàn)e2+∶ZnSe固體激光器迎來了蓬勃發(fā)展期。以美國和俄羅斯為首的科技強(qiáng)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（370ns）及短波紅外波段窄脈寬固體激光泵浦源的發(fā)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(shù)、新機(jī)制泵浦源的發(fā)展，室溫條件下Fe2+∶ZnSe激光器逐漸實(shí)現(xiàn)了激光輸出，且輸出能量逐步提升。現(xiàn)將近年來的幾個(gè)較為重要的成果及發(fā)展歷程介紹如下。

2011年，美國阿拉巴馬大學(xué)Myoung等人采用了輸出波長為2.8μm，脈沖寬度為20ns，最大單脈沖能量為33mJ的閃光燈泵浦主動(dòng)調(diào)Q Er∶Cr∶YSGG激光器為泵浦源；利用熱擴(kuò)散法制備了尺寸為8mm×8mm×3mm的Fe2+∶ZnSe晶體，摻雜濃度為2×1019cm—3，在236～300K溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了中紅外激光輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示［23］。在室溫300K時(shí)獲得最大單脈沖能量為3.6mJ，斜效率為15.7％，輸出波長為4.37μm；在236K時(shí)，獲得最大單脈沖能量為4.7mJ，斜效率為18.9％，輸出波長為4.3μm。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(dòng)調(diào)Q Er∶Cr∶YSGG激光泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Fe2+∶ZnSe laser pumped by active Q-switch Er∶Cr∶YSGG laser

2012年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室的Evans采用雙端面泵浦技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Fe2+∶ZnSe激光器的中紅外連續(xù)輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示［15］。泵浦源為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的Er∶YAG激光，輸出波長為2 940nm，單臺(tái)平均功率為1.5W，總泵浦功率為3W，光束質(zhì)量M2≤2。采用熱擴(kuò)散法制備的Fe2+∶ZnSe晶體摻雜濃度為9×1018cm—3，尺寸為2mm×6mm×6mm。在77K時(shí)，F(xiàn)e2+∶ZnSe激光器獲得了840mW的4.14μm連續(xù)激光輸出，最大斜效率達(dá)到了47％，光束質(zhì)量M2≤1.2。該實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)泵浦源和雙端面同步泵浦的技術(shù)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(shí)驗(yàn)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(fù)雜，實(shí)用性受限。

圖3 雙端面泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser with double end pump

圖4 自由運(yùn)轉(zhuǎn)Er∶YAG激光器泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by free-running Er∶YAG laser

2013年，俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所的Frolov采用閃光燈泵浦自由運(yùn)轉(zhuǎn)的Er∶YAG激光器，獲得了高達(dá)8J的2.94μm脈沖泵浦源。運(yùn)用該泵浦源泵浦Fe2+∶ZnSe晶體（摻雜濃度為2.6×1018cm—3，尺寸為8mm×8mm×8mm），在85K的溫度下獲得了2.1J的4.1μm激光，其光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到35％，斜效率達(dá)到51％；在溫度為245K（采用熱電制冷可以獲得該溫度）時(shí)，實(shí)現(xiàn)了1.3J的激光輸出，其光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23％，斜效率達(dá)到19％，實(shí)驗(yàn)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295K時(shí)實(shí)現(xiàn)了中紅外4.5μm的激光輸出，此時(shí)泵浦閾值為1.8J，最大單脈沖能量為42mJ。這是目前固體激光器泵浦Fe2+∶ZnSe晶體獲得的最高輸出指標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)雖然采用了頻率穩(wěn)定性及幅值穩(wěn)定性較差的脈沖泵浦源，但獲得了較高的能量輸出，驗(yàn)證了Fe2+∶ZnSe激光器具有實(shí)現(xiàn)焦耳量級(jí)能量輸出的能力。

2014年，華北光電技術(shù)研究所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào)道了Fe2+∶ZnSe激光器［25］研究成果。他們以熱擴(kuò)散摻雜技術(shù)制備了Fe2+∶ZnSe晶體，摻雜濃度為1.27×1018cm—3，晶體尺寸為4mm×4mm×2mm。采用波長為2.9μm、重復(fù)頻率為1kHz的泵浦源，當(dāng)抽運(yùn)功率為為1.4W時(shí)，獲得了中心波長為4.45μm，脈沖寬度為25ns，平均功率67mW的室溫中紅外激光輸出。這是國內(nèi)首次報(bào)道Fe2+∶ZnSe固體激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

受限于Er3+離子較長的低能級(jí)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（2.94μm）遇到了較大困難。考慮到Fe2+∶ZnSe晶體的吸收譜較寬（2.5～4.0μm），采用其它泵浦源替代Er∶YAG光源實(shí)現(xiàn)Fe2+∶ZnSe中紅外激光室溫輸出備受關(guān)注。

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

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

2014年，俄羅斯科學(xué)院普通物理研究所Firsov驗(yàn)證了室溫條件下采用化學(xué)HF激光泵浦Fe2+∶ZnSe激光器，實(shí)現(xiàn)更高能量輸出及光光轉(zhuǎn)換效率的可行性，實(shí)驗(yàn)方案如圖6所示［14］。通過優(yōu)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(dāng)泵浦光斑尺寸為6.8mm×7.5mm時(shí)獲得了最大單脈沖能量為192mJ，相應(yīng)的斜效率為29％；激光泵浦閾值為0.14J/cm2，F(xiàn)e2+∶ZnSe晶體的損傷閾值為3J/cm2。后來，F(xiàn)irsov還驗(yàn)證了室溫條件下采用重復(fù)頻率HF/DF激光泵浦Fe2+∶ZnSe激光器的可行性［29］。在室溫200Hz的條件下，采用重復(fù)頻率非鏈?zhǔn)紿F激光（2.6～3.1μm）和DF激光（3.5～4.1μm）泵浦Fe2+∶ZnSe晶體，分別獲得了1.2W、0.7W的4～5μm中紅外激光輸出。采用非鏈?zhǔn)矫}沖HF/DF激光器泵浦Fe2+∶ZnSe晶體易于在室溫條件下實(shí)現(xiàn)中紅外激光輸出，驗(yàn)證了Fe2+∶ZnSe激光器在室溫條件下實(shí)現(xiàn)高能量輸出的可行性，但化學(xué)HF/DF激光器結(jié)構(gòu)非常龐大、造價(jià)高，不利于在工程上推廣應(yīng)用。

圖6 高能量HF激光泵浦的室溫Fe2+∶ZnSe激光器實(shí)驗(yàn)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(shù)（d33=27.4pm/V）、物化性能穩(wěn)定及不易潮解等優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的非線性晶體。近年來，PPLN晶體MgO摻雜技術(shù)的應(yīng)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(zhǔn)相位匹配OPO具有高效率、高功率、窄線寬、高光束質(zhì)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(shí)現(xiàn)3～5μm全波段可調(diào)諧輸出，圖7給出了泵浦波長為1 064nm時(shí)MgO∶PPLN晶體極化周期和溫度調(diào)諧曲線。

圖7 基于MgO∶PPLN的OPO波長隨晶體極化周期、溫度調(diào)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(xiàn)較早，受益于其輸出波長的可調(diào)諧性和易于實(shí)現(xiàn)全固態(tài)輸出，該激光器的發(fā)展一直備受關(guān)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(fā)展，基于MgO∶PPLN的OPO激光輸出能量逐步提升?，F(xiàn)將近年來的幾個(gè)較為重要的成果及發(fā)展歷程介紹如下。

2009年，華中科技大學(xué)夏林中等人以1.064μm的Nd∶YAG激光器為泵浦源，采用MgO∶PPLN為OPO晶體實(shí)現(xiàn)了中紅外激光輸出［30］。聲光調(diào)Q Nd∶YAG激光器脈寬為150ns，重復(fù)頻率為10kHz，輸出平均功率為8.17W。MgO在PPLN晶體內(nèi)的摻雜濃度為5％，晶體尺寸40mm×10mm×2mm，晶體極化周期范圍為26～31μm，調(diào)諧增量為0.5μm。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2mm厚的晶體并聯(lián)以增大MgO∶PPLN晶體體積，其實(shí)驗(yàn)原理如圖8所示。聯(lián)合極化周期和溫度調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了閑頻光在3～4.95μm范圍內(nèi)可調(diào)諧輸出。最大閑頻光輸出功率為2.23W（波長為3.344μm），光光轉(zhuǎn)換效率為27.4％。該實(shí)驗(yàn)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(lián)的技術(shù)方案可有效提升激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率。

圖8 雙MgO∶PPLN的中紅外OPO實(shí)驗(yàn)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(xué)研究所Kokabee等人報(bào)道了一種皮秒中紅外OPO激光器，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示［31］。泵浦光為被動(dòng)鎖模摻鐿光纖激光器（1 064nm），重復(fù)頻率為81.1MHz，脈沖寬度為20.8ps，最大泵浦功率為20W。MgO∶PPLN晶體為臺(tái)灣HC公司提供，晶體長度為50mm，厚度為1mm，極化周期范圍28.5～30.5μm。他們采用了四鏡駐波腔提升了OPO激光的提取效率，在16W的泵浦功率時(shí)，獲得了7.1W（1.47μm）的信號(hào)光和4.9W（3.08μm）的閑頻光，總提取效率達(dá)到了68％，激光脈沖寬度為17.3ps。2013年，他們通過增加駐波腔腔長ΔL=L0/Q（L0為相應(yīng)于泵浦光重復(fù)頻率的基礎(chǔ)腔長，Q為OPO輸出相應(yīng)于泵浦光的Q次諧波），實(shí)現(xiàn)了中紅外激光輸出重復(fù)頻率增加，在泵浦光為80MHz時(shí)，實(shí)現(xiàn)了7GHz的中紅外激光輸出［32］。2014 年，他們還報(bào)道了采用兩塊MgO∶PPLN晶體共用一個(gè)六鏡駐波腔實(shí)現(xiàn)雙信號(hào)光、雙閑頻光同步可調(diào)諧輸出的技術(shù)方案，能量提取效率達(dá)到了44％［33］。他們的實(shí)驗(yàn)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(yōu)勢，但該實(shí)驗(yàn)裝置對加工、裝調(diào)的精準(zhǔn)度要求極高，同時(shí)對環(huán)境（溫度、振動(dòng)等）也有苛刻的要求，工程上難以實(shí)現(xiàn)。

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

2013年，法國約瑟夫傅立葉大學(xué)的Kemlin等人報(bào)道了。晶體尺寸為5mm×16mm×40mm的MgO∶PPLN OPO激光器［34］，調(diào)諧周期為28μm，晶體端面加工成柱面，如圖10所示。他們通過旋轉(zhuǎn)晶體改變了晶體的有效調(diào)諧周期（deff=d/cosθ，入射角θ變化范圍0～30°），通過旋轉(zhuǎn)晶體，他們在室溫（21℃）條件下實(shí)現(xiàn)了1.4～4.3μm全波段可調(diào)諧輸出。該實(shí)驗(yàn)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(chǔ)。

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

2014年，山東大學(xué)劉善德等人報(bào)道了有益于工程化的單諧振腔中紅外OPO激光器，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示［35］。泵浦源摻鐿光纖激光器的輸出功率為20W，波長為1 064nm，光束直徑為6mm，M2因子為1.01。多級(jí)MgO∶PPLN晶體尺寸為50mm×1mm，極化周期范圍為28.5～31.5μm，周期遞增量為0.5μm。通過極化周期和溫度調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了閑頻光在3.0～3.9μm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。在3.0m波長處獲得了3W的中紅外激光輸出，在中紅外常用的3.8μm波長處獲得了近1W的激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率高于10％。該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用了功率提升潛力較大、光束質(zhì)量較好的光纖激光泵浦，結(jié)構(gòu)、裝調(diào)較為簡易，非常利用工程實(shí)現(xiàn)。

圖11 光纖泵浦的單諧振中紅外OPO激光器Fig.11 Single-resonatormid-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(xué)材料，它具有非常高的非線性系數(shù)（d14=75.0pm/V）、良好的熱導(dǎo)率和弱熱透鏡效應(yīng)，其光損傷閾值達(dá)到30GW/cm2。由于ZnGeP2晶體優(yōu)異的性能，利用它作為OPO的非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換材料，可實(shí)現(xiàn)中紅外激光器的全固態(tài)化、大功率輸出。但是該晶體中本征點(diǎn)缺陷引起的光吸收和光散射將導(dǎo)致它在近紅外1～2μm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2μm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(jié)構(gòu)，提升穩(wěn)定性，研究人員采用摻銩光纖激光器（1.9μm）直接泵浦ZnGeP2。表1給出了最新報(bào)道的中紅外ZnGeP2OPO的主要參數(shù)。

表1 中紅外ZnGeP2OPO主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of mid-infrared ZnGeP2OPO

3 中紅外固體激光技術(shù)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ZnGeP2OPO固體激光器均在中紅外波段實(shí)現(xiàn)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(fā)展空間。

Fe2+∶ZnSe激光器室溫時(shí)上能級(jí)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(xué)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，因此室溫全固態(tài)高功率中紅外Fe2+∶ZnSe固體激光器成為其發(fā)展方向。

基于MgO∶PPLN的OPO固體激光器發(fā)展較早，目前國內(nèi)外科研工作者均采用極化周期及溫度調(diào)諧的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了全波段可調(diào)諧輸出。受MgO∶PLN晶體生長工藝的限制，難以獲得大體積、高質(zhì)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(shù)。目前OPO激光光學(xué)變換常用的泵浦光λp波長為1 064nm，其信號(hào)光λs輻射波長為1.3～1.6μm，而中紅外激光為閑頻光λi，其波長涵蓋3.0～5μm。由于三波（泵浦光、信號(hào)光、閑頻光）變換滿足能量守恒，即：1/λp=1/λi+1/λs，一個(gè)泵浦光子通過非線性過程轉(zhuǎn)換成一個(gè)信號(hào)光子和一個(gè)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(hào)光占據(jù)多數(shù)泵浦能量，這就限制了閑頻光的光-光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。綜上所述，基于MgO∶PPLN晶體的OPO固體激光器發(fā)展方向?yàn)檠兄拼篌w積、高質(zhì)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(fā)展較為成熟，目前采用該技術(shù)獲得了最高功率的中紅外固體OPO輸出。但是ZnGeP2OPO實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，通常的技術(shù)方案為采用半導(dǎo)體激光泵浦摻銩激光晶體獲得1.9μm激光，進(jìn)而運(yùn)用該1.9μm銩激光泵浦摻鈥激光晶體獲得2.1μm激光，最后用2.1μm鈥激光泵浦ZnGeP2晶體實(shí)現(xiàn)中紅外OPO輸出。多級(jí)泵浦體制限制了ZnGeP2OPO穩(wěn)定性、可靠性，增加了成本及技術(shù)復(fù)雜度。摻銩光纖激光器直接泵浦ZnGeP2OPO實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，是未來ZnGeP2OPO的發(fā)展方向。

4 結(jié)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(fā)展，它們的輸出功率、光光轉(zhuǎn)換效率、波長調(diào)諧等方面都取得了長足的進(jìn)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(fā)展水平最高，俄羅斯采用了化學(xué)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(zhǔn)相位匹配技術(shù)，克服了三波耦合過程的走離效應(yīng)，獲得了較高的光光轉(zhuǎn)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(shù)途徑。在中紅外固體激光器發(fā)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(fā)展，中紅外固體激光器輸出功率水平還將穩(wěn)步提升。

［1］ROGALSKIA.Infrared Detectors［M］.Beijing：China Machine Press，2014.

［2］鐘鳴，任鋼.3～5μm中紅外激光對抗武器系統(tǒng)［J］.專家論壇，2007，1：3-6.

ZHONG M，REN G.Weapon system for MIR laser countermeasure［J］.Expert Forum，2007，1：3-6.（in Chinese）

［3］VICTOR K，MARGARET L，MICK K，et al..Engineering development of a directed IR countermeasure laser［J］.Proceedings of SPIE，2004，5615：48-53.

［4］GEISER P，WILIER U，SCHADEW.Picosecond mid-infrared LIDAR system［C］.OSA/QELS，Baltimore USA，22-27May 2005：JTHI2.

［5］AGROSKIN V Y，BRAVY B G，CHERNYSHEVY A，et al.Aerosol sounding with a lidar system based on a DF laser［J］.Appl.Phys.B.，2005，81：1149-1154.

［6］LAZARENKO V I，VELIKANOV S D，PEGOEV I N，et al..Analysis of DF laserapplicability to SO2remote sensing in the atmosphere［J］.SPIE，2001，4168：232-235.

［7］MALGUTH E，HOFFMANN A，MATTHEW R P.Fe inⅢ-ⅤandⅡ-Ⅵsemiconductors［J］.Phys.Stat.Sol.（b），2008，245（3）：455-480

［8］譚改娟，謝冀江，張來明，等.中波紅外激光技術(shù)最新進(jìn)展［J］.中國光學(xué)，2013，6（4）：501-512.

TAN G J，XIEJ J，ZHANG L L，et al..Recent progress in mid-infrared laser technology［J］.Chinese Optics，2013，6（4）：501-512.（in Chinese）

［9］KOZLOVSKY V I，KOROSTELIN Y V，LANDMAN A I，et al..Pulsed Fe2+∶ZnS laser continuouslytunable in the wavelength range of 3.49—4.65μm［J］.Quantum Electron，2011，41（1）：1-3.

［10］FEDOROV V V，MIROV S B，GALLIAN A，et al..3.77—5.05μm tunable solid statelasers based on Fe2+-doped ZnSe crystals operating at lowand room temperatures［J］.IEEE J.Quantum Electron，2006，42（9）：907-917.

［11］FROLOV M P，KOROSTELIN YU V，KOZLOVSKY V I，et al..Laser radiation tunable within the range of 4.35—5.45μm in a ZnTe crystal doped with Fe2+ions［J］.J.Russ.Laser Res.，2011，32（6）：528-536.

［12］KOZLOVSKY V I，AKIMOV V A，F(xiàn)ROLOV M P，et al..Room-temperature tunable midinfrared lasers on transition-metal dopedⅡ-Ⅵcompound crystals grown from vapor phase［J］.Phys.Stat.Sol.（b），2010，247（6）：1553-1556.

［13］FROLOV M P，KOROSTELIN Y V，KOZLOVSKY V I，et al..Study of a 2-J pulsed Fe∶ZnSe 4μm laser［J］.Laser Phys.Lett.，2013，10：125001.

［14］FIRSOV K N，GAVRISHCHUK E M，KAZANTSEV S Y，et al..Increasing the radiation energy of ZnSe∶Fe2+laser at room temperature［J］.Laser Phys.Lett.，2014，11：085001.

［15］JONATHAN W E，PATRICK A B，KENNETH L S.840 mW continuous-wave Fe∶ZnSe laser operating at 4140nm［J］.Optics Letters，2012，37（23）：5021-5023.

［16］KOMINEH，F(xiàn)UKUMOTOJM，LONG W H，et al..Noncritically phase matched mid-infrared generation in AgGaSe2［J］.IEEE J.Selected Topic in Quantum Electronics，1995，1（1）：44-49.

［17］YANG J F，ZHANG B T，HE J L，et al..Intracavity optical parametric oscillator based on GTR-KTP pumped by diodeside-pumped acousto-optically Q-switched Nd∶YAG laser［J］.Applied Physics B，2010，98：49-54.

［18］JIANG H L，BIAN J T，NIE J S，et al..Theoretical and experimental investigation on the 2.7μm laser pumped ZnGeP2optical parametric oscillator generating 4.3μm laser［J］.SPIE，2010，7655：76551-1-76551-5.

［19］RAMAIAHB V，CHAITANYA K S，EBRAHIM Z M.Fiber-laser-pumped，dual-wavelength，picosecond optical parametric oscillator［J］.Opt.Lett.，2014，39（9）：2739-2742.

［20］FELIX R，PETER H，JOHANNES A L.Synchronously pumped femtosecond optical parametric oscillator with integrated sum frequency generation［J］.Applied Physics Letters，2008，92（1）：011122.

［21］KIMMELMA O，CHAITANYA KS，ADOLFO E M，et al..Multi-gigahertz picosecond optical parametric oscillatorpumped by 80-MHz Yb-fiber laser［J］.Opt.Lett.，2013，38（22）：4550-4553.

［22］ADAMS J J，BIBEAU C，PAGE R H，et al..4.0—4.5μm lasing of Fe∶ZnSe below 180 K，a new mid-infrared laser material［J］.Opt.Lett.，1999，24（23）：1720-1722.

［23］NOSOUNGM，DMITRI V M，VLADIMIR V F，et al..Energy scaling of 4.3μm room temperature Fe∶ZnSe laser［J］.Opt.Lett.，2011，36（1）：94-96.

［24］FROLOV M P，KOROSTELIN Y V，KOZLOVSKY V I，et al.Study of a 2-J pulsed Fe∶ZnSe 4-μm laser［J］.Laser Phys.Lett.，2013，10：125001.

［25］夏士興，張?jiān)戮?，李興旺，等.Fe2+∶ZnSe激光晶體光學(xué)吸收及激光輸出性能［J］.激光與紅外，2014，44（9）：1000-1002.

XIA S X，ZHANG Y J，LI X W，et al..Optical absorption and laser output performance of Fe2+∶ZnSe laser crystal［J］.Laser＆Infrared，2014，44（9）：1000-1002.（in Chinese）

［26］VELIKANOV S D，DANILOV V P，ZAKHAROV N G，et al..Fe2+∶ZnSe laser pumped by a nonchain electric-discharge HF laser at room temperature［J］.Quantum Electronics，2014，44（2）：141-144.

［27］易愛平，劉晶儒，唐影，等.電激勵(lì)重復(fù)頻率非鏈?zhǔn)紿F激光器［J］.光學(xué) 精密工程，2011，19（2）：360-366.

YI A P，LIU J R，TANG Y，et al..Electrically initiated repetitive-pulsed non-chain HF lasers［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19（2）：360-366.（in Chinese）.

［28］PANCHENKO A N，ORLOVSKY V M，TARASENKOV F.Spectral characteristics of nonchain HF and DF electric-discharge lasers in efficient excitation modes［J］.Quantum Electronics，2004，34（4）：320-324.

［29］FIRSOV K N，GAVRISHCHUK E M，KAZANTSEV S Y，et al..Spectral and temporal characteristics of a ZnSe∶Fe2+laser pumped by a non-chain HF（DF）laser at room temperature［J］.Laser Phys.Lett.，2014，11：125004.

［30］XIA L Z，SU H，AND RUANS C.Widely continuous-tunable 2.789-4.957μm twin-MgO∶PPLN cascaded optical parametric oscillator［J］.Chin.Opt.Lett.，2009，7（11）：1038-1040.

［31］KOKABEE O，ESTEBANM A，EBRAHIM Z M.Efficient，high-power，ytterbium-fiber-laser-pumped picosecond optical parametric oscillator［J］.Opt.Lett.，2010，35（19）：3210-3212.

［32］KIMMELMA O，CHAITANYA K S，ESTEBAN-MARTIN A，et al.Multi-gigahertz picosecond optical parametric oscillator pumped by 80-MHz Yb-fiber laser［J］.Opt.Lett.，2013，38（22）：4550-3552.

［33］RAMAIAHB V，CHAITANYA KS，EBRAHIMZ M.Fiber-laser-pumped，dual-wavelength，picosecond optical parametric oscillator［J］.Opt.Lett.，2014，39（9）：2739-2741.

［34］VINCENT K，DAVID J，J R MED，et al..Widely tunable optical parametric oscillator in a 5mm thick 5％MgO∶PPLN partial cylinder［J］.Opt.Lett.，2013，38（6）：860-862.

［35］LIU S D，WANG Z W，ZHANG B T，et al..Wildly tunable，high-efficiency MgO∶PPLN mid-IR optical parametric oscillator pumped by a Yb-fiber laser［J］.Chin.Phys.Lett.，2014，31（2）：024204.

［36］SETZLER S D，SCHUNEMANN P G，POLLAKT M，et al..Characterization of defect-related optical absorption in ZnGeP2［J］.J.Appl.Phys.，1999，86（12）：6677-6681.

［37］ESPEN L，HELGE F，GUNNAR A，et al..A 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator［J］.Optics Express，2010，18（25）：26475-26483.

［38］PENGY F，WEI X B，WANG W M.Mid-infrared optical parametric oscillator based on ZnGeP2pumped by 2-μm laser［J］.Chinese Optics Letters，2011，9（6）：061403.

［39］ALEXANDER H，JIM R，ALAN D，et al..99 W mid-IR operation of a ZGP OPO at 25％duty cycle［J］.Optics Express，2013，21（8）：10062-10069.

［40］SHEN Y J，YAO B Q，CUI Z，et al..A ring ZnGeP2optical parametric oscillator pumped by a Ho∶LuAG laser［J］.Appl.Phys.B.，2014，117：127-130

［41］MARTIN G，CHRISTIAN G，PANKAJ K，et al..High peak-power mid-infrared ZnGeP2optical parametric oscillator pumped by a Tm∶fiber master oscillator power amplifier system［J］.Opt.Lett.，2014，39（5）：1212-1215.

［42］YAO B Q，SHEN Y J，DUAN X M，et al..A 41-W ZnGeP2optical parametric oscillator pumped by a Q-switched Ho∶YAG laser［J］.Opt.Lett.，2014，39（23）：6589-6592.

［43］CHRISTELLE K，ANTOINE B，BRENDA D，et al..6.5 W ZnGeP2OPO directly pumped by a Q-switched Tm3+doped single-oscillator fiber laser［J］.Opt.Lett.，2015，40（6）：1101-1104.

潘其坤（1985—），男，河南開封人，博士，助理研究員，2009年于東北林業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2014年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事中紅外激光器及其應(yīng)用技術(shù)方面的研究。E-mail：panqikun2005@163.com

中紅外固體激光器研究進(jìn)展

潘其坤

Progress of mid-infrared solid-state laser

PAN Qi-kun
（State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：panqikun2005@163.com

Mid-infrared solid lasers，such as new type of Fe2+∶ZnSe laser and Optical Parameter Oscillator（OPO）based on MgO∶PPLN，ZnGeP2crystals，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—5μm 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.

solid-state laser；mid-infrared；Fe2+∶ZnSe laser；Optical Parameter Oscillator（OPO）

中國科學(xué)院長春光機(jī)所創(chuàng)新基金（No.Y44222C150）

2095-1531（2015）04-0557-10

TN248.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.3788/CO.20150804.0557

2015-02-17；

2015-03-28