高功率中红外激光器的进展

中红外激光器在光谱学、遥感、医疗、环保及军事等诸多领域都有重要的应用价值和发展前景,因此已成为各国研究的热门课题。首先介绍各类中红外光参量振荡器及其泵浦源的进展,而后介绍中红外单极型量子级联半导体激光器特点和进展。

中红外激光器功率稳定器技术

针对中红外光电探测器光谱响应度精确测量时,要求提高中红外激光器功率稳定度这一问题。提出了一种对中红外激光器功率进行稳幅的方法,基于声光调制器布拉格衍射原理、采用光反馈闭环控制技术实现了对中红外激器光功率的稳定控制。详细介绍了该方案的光路设计、控制电路原理及控制算法,在此基础上研制了一种中红外激光功率稳定器。采用该功率稳定器对3.39μm He-Ne激光器的输出光进行了稳幅实验。结果表明,该装置可将中红外激光器输出功率稳定度从8%提高到0.4%。可很好地满足中红外探测器光谱响应度测试的需要。

Cr^(2+):ZnSe全固态中红外激光器

建立了一种高质量、高效率全固态中红外激光系统,并对激光输出的效率、光束质量等指标进行了测试。首先,以二极管激光器为泵浦源,Tm^(3+):YAP晶体为增益介质,搭建了输出波长为1.97μm的近红外激光器。然后,以Tm^(3+):YAP激光器为泵浦源,自行开发研制的Cr^(2+):ZnSe单晶为增益介质,搭建了全固态中红外激光器。最后,测试了全固态中红外激光器的光束质量及激光器出光效率,并对谐振腔光效率的理论输出值与实际的激光器出光参数进行了对比。实验结果表明:此全固态中红外激光器的光光转换效率为17.2%,斜率效率为20%,在最高输出能量为3 W时的光束质量(M^2)在x和y方向分别为1.7和1.73,光束基本为圆形的高斯光斑。

高功率高重频中红外激光器

为了获得高功率高重频中红外激光输出,采用LD侧面泵浦技术和高重频调Q技术,获得高功率高重频窄脉宽1064 nm激光输出。通过1064 nm泵浦KTP产生高峰值功率2100 nm激光输出,并抽运ZGP晶体获得12 m J的4200 nm中红外激光输出。通过1064 nm分别泵浦PPLT和PPLN获得8. 3 W的2100 nm激光输出和5. 6 W的3900nm激光输出。试验结果表明:通过高重频调Q技术和LD侧面泵浦技术,可以实现高重频窄脉宽1064 nm激光输出,泵浦非线性晶体可以获得高功率高重频中红外激光输出。

挪威研制用于防御寻热导弹的高能量中红外激光器

高能钬激光器的2μm纳秒脉冲的非线性转换将成为未来红外武器的对抗措施。

德国开发高能中红外激光器

来自德国柏林和耶拿的2个团队正在联合开发一种用于MIR（中红外）光谱范围的新型高能激光光源。在联合项目中,首次开发并演示了一种二极管泵浦固态激光器,该激光器波长为1.9μm,为医疗领域、材料加工和基础研究领域的应用提供了巨大创新潜力。由于几个基本挑战,这种强大的脉冲激光源在该波长范围内尚未商业化。

多波长高效率中红外激光器研制

3～5μm波段的中红外激光具有广泛的应用背景，目前中红外固体激光器已实现了满足一定应用需求的功率输出。基于频率变换的光参量振荡器（OPO）由于其波长调谐范围宽、转换效率高等优点而备受关注。设计了一种新型光参量振荡器，将1．064um的泵浦光子转换成3个中红外光子，获得了多波长中红外激光输出的同时提高了中红外激光的转换效率。

用于远程气体探测的双波长中红外激光器(特邀)

为了实现远程气体探测,基于由超晶格材料构成的光参量振荡器,研制了一台双波长输出的中红外激光器。该光参量振荡器通过种子注入的方式,实现了纳秒级窄线宽的中红外脉冲激光输出,重复频率为500 Hz,单脉冲能量超过1 mJ,并能够对准2.6~4.0μm波长范围内的NO、NO_(2)和SO_(2)的吸收峰。通过气体动态排放实验,在远程气体探测实验中对该激光器进行了验证。

近红外激光泵浦的可调谐中红外固体激光器研究进展(特邀)

基于非线性光学频率变换技术的可调谐中红外激光器在光电对抗、气体检测、生物医学等应用领域有着重要价值。近红外激光,尤其是1μm激光直接泵浦的可调谐中红外激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、稳定性高的优势。从非线性光学频率变换技术的核心器件——非线性晶体出发,综述新型非氧化型晶体在可调谐中红外激光产生中的应用现状,介绍了不同晶体的光学特性及实现中红外产生的方法。针对可调谐中红外激光源的调谐范围、单脉冲能量、重复频率等关键参数,分析了不同晶体的中红外产生性能及其适用的中红外产生方法。最后对近红外激光器泵浦的可调谐中红外激光器进行了展望。

高功率中红外3.8μm激光器

采用1.06μm激光泵浦准相位匹配周期极化铌酸锂(PPMgLN)晶体光参量振荡器,实现高功率高效率高重复频率3.84μm中红外激光输出。泵浦源为椭圆光斑1.06μm激光,PPMgLN晶体MgO摩尔分数为5%,光参量振荡器为外腔单谐振结构,采用e→e+e相位匹配,利用了PPMgLN晶体的最大非线性系数。在1.06μm激光功率为73 W,声光Q开关工作频率为7.5 kHz的条件下,获得平均功率8.3 W,波长3.84μm激光输出,光-光转换斜率效率14.1%,水平和垂直方向光束质量平方因子分别为1.94,4.57。

第四代半导体锑化物低维结构中红外激光器:从原理到器件

半导体材料体系的迭代更新一直紧密关联着高新技术的发展.第一代半导体材料主要为硅(Si)与锗(Ge),第二代半导体材料主要为砷化镓(GaAs)与磷化铟(InP),第三代半导体材料主要为碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN).随着前三代半导体材料及由其制备的典型器件相继得到广泛应用,微电子、通信、量子信息、人工智能、碳中和等高新技术获得了巨大的发展驱动力,并实现变革性突破;与此同时,高新技术的快速发展也对半导体器件的性能和功耗等提出了更高的要求,促进着半导体器件的迭代更新.因此,如何发展实现兼具高性能、低功耗、低成本的第四代半导体材料器件技术,已成为国际前沿技术领域的研究热点和重点.

采用4.8μm中红外量子级联激光器的痕量一氧化碳气体检测仪

一氧化碳是一种无色、无味、有毒、易燃的危险气体,且低浓度的该气体可以使人中毒、窒息、危及生命。因此研制一种能够检测一氧化碳气体浓度的检测仪意义重大,尤其在环境复杂(湿度和粉尘浓度都很大)的矿井下。本文所述的是一种紧凑型检测仪器,其能够灵敏、快速、连续地监测环境空气中痕量一氧化碳气体浓度。该仪器采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL)和红外碲镉汞探测器的最新半导体技术,结合中红外光程长度为76m的多次反射herriott吸收气室,可以在4s的采样时间内实现40nmol·mol-1气体检测灵敏度。同时,该仪器利用差分吸收光谱检测原理,设计了双光路双通道空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性,有效地提高了仪器浓度检测下限。实验表明,该仪器通过所集成的气体浓度反演算法,能够在无需校准的情况下,可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。

中红外ZBLAN光纤拉曼激光器的理论分析与设计

根据ZBALN光纤拉曼激光器的结构,理论分析了中红外ZBLAN光纤级联拉曼激光器运行方式并建立了泵浦光和斯托克斯光的非线性耦合方程组。基于该方程组,对用高功率掺铥光纤激光器泵浦ZBLAN光纤产生拉曼频移时泵浦光和斯托克斯光在光纤中的演化过程进行了仿真。为了提高激光器性能,对光纤长度、输出耦合器反射率、泵浦功率等激光器参数及其对激光器性能的影响进行了数值分析。数值计算结果表明,用掺铥光纤激光器泵浦ZBLAN光纤可以以较高的光光转换效率产生更长波长的拉曼激光。不同的光纤长度和输出耦合器反射率相互影响,并共同影响激光器的性能。根据以上分析,最终获得了高性能的ZBLAN光纤拉曼激光器的优化参数。

Tm脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器

介绍了Tm：YAP脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器。首先介绍了Tm脉冲激光器,由实验分析,对YAP固体激光器腔型结构进行优化,确定了适合泵浦ZGP OPO的YAP激光器腔型,得到较理想的2μm脉冲激光输出。中红外固体激光器由优化后的Tm：YAP激光器泵浦ZGP光学参量振荡器（OPO）组成,最终得到输出功率达瓦级以上的3~5μm激光。

中红外固体激光器的振动可靠性

基于ANSYS建立了中红外固体激光器的有限元仿真计算模型,通过模态分析获取了固体激光器的各阶固有频率、振型等模态参数。结合非接触测振技术搭建了振动模态试验平台,通过试验与仿真对比,验证了模态仿真模型的可靠性。然后,在模态仿真的基础上,通过谐响应分析,重点研究了激光器光学晶体组件在车载正弦扫频振动下的振动特性,获得了等效应力、总机械应变以及位移与激振频率的关系。最后,分析了影响激光器振动可靠性的关键位置,为改进设计提供了有益的参考。结果表明,2 000 Hz以内,底面固定约束的中红外固体激光器共有4阶固有频率与振型,试验与模态仿真得到的振型描述一致,且固有频率误差小于8%,车载扫频振动条件下,最大总机械应变和等效应力均出现在扩束器的输入镜边缘,沿光学晶体组件轴向的位移最大,其值约为0.14 mm。

中红外高功率二极管激光器和模块

波长在1.8～2.3μm之间的高功率二极管激光器有许多新应用,如材料加工、加速烘干、外科手术、红外对抗及用于泵浦固态和半导体碟片激光器。本文给出了MBE生长的量子阱(AlGaIn)(AsSb)二极管激光器的结果,其单发射器的宽度在90～200μm之间;还对具有20%或30%填充因子的激光器靶条进行了一定处理。单发射器和激光靶条在连续工作时最大电光转换效率超过30%,在2200nm时一个30%填充靶条的功率甚至超过了15W。由于对这些中红外激光器的脉冲工作模式的研究持续升温,本文研究了不同脉冲时间和占空比的1940nm单发射器和激光器靶条。没有COMD的单发射器在电流为30A、脉冲时间为500ns、占空比为1%时功率超过9W。以前,大多数应用都需要光纤耦合输出功率,因此,对基于单发射器或激光靶条的光纤耦合模块进行了研制。基于单发射器的模块在波长为1870～1940nm之间时,在200μm芯径、NA=0.22时的耦合输出为600mW。在2200nm的输出功率为450mW,更值得一提的是基于GaSb的二极管激光器的输出波长超过2μm。几个激光靶条结合,600μm芯径光纤在1870nm输出激光20W。最后,我们在1870nm采用7靶条得到了50A准连续模式下的功率超过85W。

基于中红外量子级联激光器的痕量CO检测仪研制

为了提高一氧化碳(CO)气体浓度的检测下限和灵敏度,研制了一种痕量CO检测仪。该检测仪采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL),结合中红外光程长度为76 m的多次反射herriott吸收气室,有效地提高了CO气体浓度检测下限和灵敏度。同时,利用差分双光路空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性。实验表明,该检测仪能够灵敏、快速和连续地检测环境空气中痕量CO气体浓度,在4 s的采样时间内达到了40 nmol/mol气体检测灵敏度,也可通过替换在不同波长下运行的QCL测量其它气体。

采用中红外量级级联激光器的痕量CO浓度传感器

介绍了一种基于中红外光谱吸收原理的痕量一氧化碳(CO)浓度传感器。整套传感器系统采用了激发波长为4.8μm的量子级联激光器(QCL)作为光学光源,使用分光镜将其光束分为能量相等的两束,分别通过长光程herriott吸收气室和参考气室最终到达两个探测器。通过检测系统输出光强信号的电压值,利用朗伯比尔定律进行计算得到所测量的痕量CO浓度值。经过实验验证,当采样时间被设置为4秒时,在一个单独的采样周期内,传感器的灵敏度最高可达40 nmol/mol,并且可长时间稳定运行于室温环境之下。

中红外脉冲光纤激光器的研究

2μm和3μm中红外波段的脉冲光纤激光光源因其在科研、民用以及军事领域的广泛应用前景，引起了人们极大的研究兴趣。本文主要介绍了中红外脉冲光纤激光器的应用和最新研究进展。最后，对中红外光纤激光器的发展前景进行了展望。

反常色散增益光纤构建无源自相似脉冲光纤激光器

通常自相似脉冲光纤激光器的增益光纤都为正常色散,而利用色散补偿在反常色散增益光纤的激光器中能否取得相同的效果,目前还缺乏相关研究。这类激光器输出和演化特性有何特点以及应如何优化等都成为有待解决的问题。对色散管理型含反常色散增益光纤的锁模激光器进行研究,通过和传统自相似激光系统的分析和对比,指出其完全符合无源自相似激光器特征,并可达到传统正常色散增益光纤构建的无源自相似脉冲激光器的效果。在理论上拓展了自相似脉冲激光器的可实现范围,弥补了传统自相似脉冲激光器在该方面的欠缺。此外,针对该类型激光器系统的色散图、净色散量和色散补偿部分的非线性等方面对输出脉冲的影响进行了详细讨论,为中红外波段使用反常色散增益光纤的激光器产生更高质量的超短脉冲提供了新思路。