再百科生活服务综述，基于非线性频率变换的长波红外激光器研究进展，非线性频率变换在长波红外激光器中的应用与研发进展

综述，基于非线性频率变换的长波红外激光器研究进展，非线性频率变换在长波红外激光器中的应用与研发进展

2年前 (2022-11-18)阅读3回复2最佳爬楼位置

xxhh

管理员
注册排名4
经验值486875
级别管理员
主题97375
回复0

楼主

8-12μm长波红外激光位于大气传输窗口和人眼平安范畴，在大气介量中传输具有更高的透过率，因而在定向红外匹敌、情况监测和激光雷达等范畴具有重要利用，同时也普遍利用于外科手术等激光医疗范畴。目前获得8-12μm长波红外激光的办法次要包罗以二氧化碳（CO 2）激光器和半导体量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）为代表的增益介量“间接辐射”，以及以二阶非线性频次变更（非线性光学手艺）为代表的“间接辐射”，图1展现了三种办法的开展过程。

图1 二阶非线性频次变更、CO 2激光器与QCL的开展情况

据麦姆斯征询报导，近日，河北工业大学的研究人员在《光学学报》期刊上颁发了以“基于非线性频次变更的长波红外激光器研究停顿”为题的文章。文中对二阶非线性频次变更手艺的工做原理、常用红外非线性晶体的物理和非线性光学特征、长波红外激光器的研究停顿和输出特征停止了综述，同时对基于二阶和三阶非线性频次变更手艺的长波红外激光器停止了总结与展看，等待可以为处置长波红外激光器的研发和工程手艺人员供给参考。

用于长波红外的非线性光学晶体

目前OPG、OPO、DFG、OPA等二阶非线性频次变更手艺是获取8-12μm长波红外激光的重要手艺手段，其转换过程如图2所示。在目前可用于实现长波红外输出的非线性晶体中，ZGP、CdSe、GaSe等晶体开展时间长、研究较为成熟，BGSe、LGS、OP-GaAs、OP-GaP等晶体是近年来利用于长波红外频次变更的新型非线性晶体。BGSe由中国科学院在2010年初次胜利造备，LGS晶体是用Li离子将传统红外非线性晶体硫镓银（AgGaS 2）中Ag离子替代得到的，OP-GaAs、OP-GaP晶体是特征较为优良的准相位婚配素材。

图2 典型的二阶非线性频次变更过程示企图（a）OPG，（b）OPO，（c）DFG，（d）OPA

长波红外激光器研究停顿

ZGP长波红外激光器研究停顿

目前，基于ZGP晶体的长波红外激光器大多摘用OPO、OPA构造，或两者连系的级联合构。因为ZGP晶体的透过率在10μm及以上时会呈现明显下降，因而目前基于ZGP的长波红外激光器的输出光谱范畴次要集中在8-10μm。

2015年，Yu等通过尝试发现关于8μm闲频光输出，更长的OPO谐振腔长度、环型腔构造和Ⅰ类相位婚配都有助于进步输出光的光束量量。根据那一法例，尝试获得的更佳光束量量因子M2在程度标的目的和垂曲标的目的别离为1.22和1.20。

2019年，Liu等操纵更高均匀输出功率100W、波长2.09μm、反复频次10kHz的Ho:YAG激光器做为泵浦源，在基于Ⅱ类相位婚配的ZGP-OPO和Ⅰ类相位婚配的ZGP-OPA级联络统中，获得了更高均匀功率为12.6W、脉冲宽度21.5ns的8.2μm激光输出，对应转换效率为12.6%，那是目前ZGP长波红外激光器获得的更高功率。

2020年，Liu等报导了9.8μm高功率长波红外ZGP-OPO构造，泵浦源摘用更高均匀输出功率为90W、波长2.09μm、反复频次10kHz的Ho:YAG主振荡功率放大器（master oscillator power amplifier，MOPA），ZGP晶体在基于Ⅰ类相位婚配的前提下得到了更高均匀功率为3.5W、脉宽19.6ns、中心波长9.8μm的长波激光输出，转换效率3.9%；基于Ⅱ类相位配的前提下实现了9.2-11μm可调谐的长波红外激光输出。

2021年，Qian等利用更高均匀功率为52W、反复频次1kHz、波长2.1μm的Ho:YAG-MOPA系统做为泵浦源，通过ZGP-OPO构造获得了更高均匀输出功率为3.15W、脉宽8.1ns、中心波长8.2μm的长波红外激光输出。

BGSe长波红外激光器研究停顿

在1μm激光泵浦BGSe产生长波红外激光方面，2019年，Kolker等利用波长为1.05μm、脉冲宽度16ns、反复频次100Hz的Nd:YLF激光器做为泵浦源，摘用基于Ⅰ类相位婚配的线型腔BGSe-OPO构造，尝试得到了2.6-10.4μm可调谐输出的红外激光，8μm处脉冲能量为14μJ，安装如图3所示。

图3 红外可调谐BGSe-OPO激光器

2020年，Yang等报导了一台8-14μm持续可调谐的高能量皮秒级BGSe-OPA长波红外激光器，BGSe晶体为Ⅰ类相位婚配，泵浦源为反复频次10Hz、脉冲宽度30ps、波长1064nm的Nd:YAG激光器，种子光（信号光）波长为1151-1227nm持续可调谐、能量范畴0-200μJ，尝试最末得到了脉冲能量140-230μJ、波长8-14μm持续可调谐的长波红外激光输出，9.5μm处能量更高为230μJ，脉冲宽度约22.3ps。同年，Xu等利用脉冲能量为39.5mJ、波长1.06μm、反复频次10Hz、脉冲宽度10ns的Nd:YAG激光器做为泵浦源，摘用了基于Ⅰ类相位婚配的BGSe-OPO构造，最末得到了8-14μm可调谐的长波红外激光输出，11μm处脉冲能量更高为1.05mJ，转换效率2.65%。

除了1μm光源泵浦外，BGSe同样能够利用2μm等更长波长的泵浦源，且理论上具有更高的频次转换效率。

CdSe和GaSe长波红外激光器研究停顿

目前，CdSe晶体仅限于实现Ⅱ类相位婚配，其长波红外激光器的输出波段次要笼盖在10-12μm，且可利用的频次变更手艺仅限于OPO。2016年，Yuan等报导了一种信号光谐振CdSe-OPO构造，摘用的泵浦源为反复频次500Hz、波长2.09μm的Ho:YAG激光器，最末实现了10-11.1μm的可调谐红外激光输出，10.28μm处功率为140mW，脉冲宽度19ns，转换效率2%。

2017年，Yuan等报导了一种输出波长12.07μm、更高输出功率为170mW的CdSe-OPO构造，该构造以Ho:YAG激光器做为泵浦源，实现了调谐范畴10.24-12.07μm的输出，反复频次为1.2kHz。

2020年，Yuan团队报导了一种具有持续波种子注进和腔内光束扩展功用的闲频光谐振CdSe-OPO构造，如图4所示，输出光的调谐范畴9.9-10.7μm，在10.1μm处获得了1.05W更高均匀功率，反复频次1kHz，脉冲宽度24.4ns，转换效率4.69%。同年，Chen等报导了一种由2.58μm持续激光器注进的闲频光谐振CdSe-OPO构造，该激光器在11.01μm处获得了802mW的均匀输出功率。

图4 可调谐CdSe-OPO长波红外激光器

2021年，Yang等利用波长为2.09μm、重频1kHz的Ho:YAG-MOPA系统做为CdSe-OPO构造的泵浦源，尝试中利用了两块差别尺寸的CdSe晶体，别离获得了在10.15μm处1.03W的更高均匀输出功率和11μm处1.18W的更高均匀输出功率。

以IPDFG和OPA手艺获得高重频、飞秒级超短脉冲的长波红外激光是近年GaSe长波红外激光器研究内容中的热点。2019年，Butler等利用2μm飞秒级光纤激光器做为泵浦源，摘用了基于Ⅰ类相位婚配的GaSe-IPDFG构造，如图5所示，获得了更高均匀功率0.5W、反复频次50MHz、脉冲宽度43fs的6-18μm宽光谱输出，那是目前GaSe长波红外激光器能实现的更高均匀功率和反复频次。

图5 高重频、宽光谱GaSe-IPDFG长波红外激光器

LGS长波红外激光器研究停顿

LGS晶体是传统红外非线性晶体硫镓银（AgGaS 2）将本身中Ag离子替代为Li离子得到的。2019年，Chen等获得了目前LGS长波红外激光器的最短脉冲宽度为32fs，其反复频次50kHz、脉冲能量220nJ、输出波长5-11μm的宽光谱，尝试安装摘用了基于Ⅰ类相位婚配的LGS-OPA构造，如图6所示，泵浦光中心波长1026nm、反复频次50kHz，脉冲宽度270fs、脉冲能量187μJ。同年，Qu等获得了目前LGS长波红外激光器的更高均匀输出功率140mW，其输出波长为9μm，反复频次10kHz，脉冲宽度142fs。

图6 LGS-OPA长波红外激光器

OP-GaAs和OP-GaP长波红外激光器研究停顿

目前关于OP-GaAs长波红外激光器的研究，脉冲宽度次要在纳秒级、均匀功率在毫瓦级。2016年，Wueppen等摘用了基于环形腔的OP-GaAs-OPO构造，OP-GaAs的周期长度为74.5μm，尝试获得了OP-GaAs长波红外激光器目前更高的均匀功率812mW，中心波长10.6μm，反复频次50kHz，脉冲宽度100ns，尝试所用泵浦源波长1.95μm，尝试安装如图7所示。

图7 OP-GaAs-OPO长波红外激光器

近年来关于OP-GaP长波红外激光器的研究中，激光器的反复频次次要在百兆赫兹级，脉冲宽度在飞秒级。2021年，Schunemann等利用波长1040nm的飞秒级光纤激光器，基于OP-GaP-OPO构造，OP-GaP周期长度为21.0μm，尝试获得了更高均匀功率60mW、反复频次100MHz、3.9-12μm可调谐的飞秒级红外激光输出。

总结

近年来，基于上述非线性晶体的长波红外激光器在短脉冲宽度、高重频、输出波长调和谐高功率、脉冲能量等方面有着超卓的表示。

脉冲宽度方面，长波红外激光器笼盖了飞秒级、皮秒级、纳秒级，GaSe、LGS、OP-GaP长波红外激光器可实现飞秒脉冲输出，BGSe长波红外激光器可实现皮秒脉冲输出，ZGP、BGSe、CdSe、OP-GaAs长波红外激光器均可实现纳秒脉冲输出。

反复频次方面，长波红外激光器能实现赫兹级、千赫兹级、兆赫兹级输出，LGS、OP-GaP长波红外激光器更高可到达百兆赫兹反复频次的输出。

现阶段长波红外激光的输出能量次要处在微焦和毫焦级。此中，ZGP、BGSe 和CdSe晶体得益于本身优良的性量，基于那三种晶体的长波红外激光器在脉冲能量上处在较高程度，ZGP、BGSe和CdSe长波红外激光器获得的更大脉冲能量别离为为3.15mJ、4.5mJ、1.18mJ；基于GaSe、LGS、OP-GaAs几种晶体的长波红外激光器获得的更大脉冲能量别离为3.4μJ、14μJ、16.2μJ；OP-GaP长波红外激光器获得的脉冲能量最小，仅能获得纳焦级的脉冲能量输出。