什么是“中紅外激光光源”？

時間：2021-05-31

中紅外激光光源是輻射類似于激光光束的中紅外光的光源。這些光源通常包含一個中紅外激光器或者較短波長的激光器和非線性頻率轉(zhuǎn)換的器件。

中紅外光譜區(qū)域包括從3μm 到8μm 的波長。有些人認為中紅外區(qū)域包含較短的波長，例如從2μm 開始，因此大大的拓寬了中紅外光源。中紅外光源的典型應(yīng)用包括氣體光譜學(xué)和軍事上飛機干擾紅外線循跡武器。
**級聯(lián)激光器
**級聯(lián)激光器是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域中進來發(fā)展較快的激光器。早先的中紅外半導(dǎo)體激光器利用的是帶間躍遷原理，而**級聯(lián)激光器采用的是子帶間躍遷。

通過改變半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，躍遷的光子能量（波長）可在較大范圍內(nèi)變化。即使結(jié)構(gòu)固定，若采用外腔器件波長調(diào)諧的范圍也可以很大（有時調(diào)諧量大于中心波長的10%）。

很多**級聯(lián)激光器可以工作在室溫下，甚至是連續(xù)工作，盡管其較佳工作環(huán)境是在低溫冷卻下。這種激光器可以產(chǎn)生脈沖長度遠小于1ns的短脈沖，然而峰值功率非常有限。

鉛鹽激光器
在**級聯(lián)激光器發(fā)展之前，主要是由各種類型的鉛鹽激光器得到中紅外光譜*部分波長的光。它們通常采用三元鉛化合物，例如PbxSn1?xTe或者四元化合物PbxEu1?xSeyTe1?y。決定輻射波長的帶隙能量很小，**0.5eV。

鉛鹽激光器需要在低溫下工作（通常**200K，尤其是波長較長時）。它們產(chǎn)生的光功率較低（通常在1mW量級），并且與短波長激光二極管相比，它們的電光轉(zhuǎn)換效率很低。通過改變器件溫度，通常可以得到幾個納米的波長調(diào)諧范圍。

摻雜絕緣激光器
只有少數(shù)種類的摻雜絕緣固態(tài)激光器可以輻射中紅外光譜區(qū)域的光。例如：
Cr2+:ZnSe（摻鉻硒化鋅）激光器（以及其它采用類似材料的激光器）可以輻射將近3.5μm波長的光。它們可以在很大范圍內(nèi)調(diào)諧，并且輸出功率可達幾百毫瓦。
Fe2+:ZnSe激光器可以輻射3.7-5.1μm的光。
基于摻鉺光纖或者摻鈥的氟化物光纖的光纖激光器可以輻射3μm波長的光。
選取激光器晶體和玻璃需要具有較低光子能量的材料，否則激光躍遷會由于多光子躍遷的存在而發(fā)生淬滅。

氣體和化學(xué)激光器
只有很少的氣體激光器會輻射中紅外波長的光。例如氦氖激光器輻射波長為3.391μm。
氟化氘化學(xué)激光器輻射波長在3.8μm附近。它們通常用于軍事用途。
基于差頻產(chǎn)生原理的光源
利用非線性晶體中的差頻產(chǎn)生（difference frequency generation, DFG）過程可以得到很大范圍的中紅外光，信號光為兩個近紅外光束。例如，可以采用1064 nm的Nd:YAG 激光器和波長可調(diào)諧的1.5μm摻鉺光纖激光器，然后將二者的輸出光在周期性較化的鈮酸鋰（LiNbO3）晶體中混合。
當(dāng)光纖激光器調(diào)諧到1530nm和1580nm之間時，中紅外輸出光波長范圍在3258nm和3993nm之間。（該范圍與光纖激光器的變化范圍相對應(yīng)，但是長波長時需要激光器具有較大的波長變化。）
對于連續(xù)光工作的激光器，非線性轉(zhuǎn)化效率較低，并且產(chǎn)生的輸出功率通常**1 mW，然而該功率足夠用于光譜學(xué)中。采用脈沖光束（例如調(diào)Q激光器），可以得到高很多的輸出功率，當(dāng)然這也需要兩激光較準(zhǔn)確的混合。
近年來，已經(jīng)可以制備定向砷化鎵晶體（GaAs），因此可以實現(xiàn)差頻產(chǎn)生中的準(zhǔn)相位匹配得到很寬的輸出波長范圍。

光參量振蕩器，放大器和發(fā)生器
另一種非線性頻率轉(zhuǎn)換是先采用一個近紅外激光器來泵浦光參量振蕩器（OPO），放大器（OPA）或者發(fā)生器（OPG）。產(chǎn)生的閑散光就位于中紅外光譜區(qū)域。例如：

鎖模的1064nm皮秒Nd:YVO4激光器可通過晶體泵浦OPO，輸出的閑散光波長為4 μm甚至4.5 μm，受限于當(dāng)波長邊長時閑散光的吸收也變大。這種OPO通常具有一個共振的信號波長，在該處閑散光之間在非線性晶體后耦合出去。

調(diào)Q激光器通常用來泵浦納秒OPO得到中紅外光。常用的晶體材料為磷化鋅鍺（ZGeP, ZnGeP2），硫鎵銀和硒鎵銀（AgGaS2, AgGaSe2），硒化鎵（GaSe）和硒化鎘（CdSe）。由于這些材料在1μm區(qū)域都不是透明的，通常需要采用串聯(lián)OPO：**個OPO將1μm的激光轉(zhuǎn)化成較長的波長，通常用來泵浦中紅外OPO。信號光和閑散光都在中紅外區(qū)域。

這一器件很*得到能量為幾十毫焦的脈沖。輸出波長可在幾百納米范圍內(nèi)調(diào)諧。

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