中紅外波段在基礎(chǔ)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、安檢安防、通信娛樂等諸多領(lǐng)域都有極其重要的應(yīng)用。作為中紅外技術(shù)的核心組成部分，覆蓋寬光譜范圍、高能量、高轉(zhuǎn)換效率、小型化、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的高性能中紅外相干輻射源始終都是科研與應(yīng)用領(lǐng)域的研究重點與熱點。目前中紅外激光器種類有很多，根據(jù)不同的產(chǎn)生原理，中紅外激光器主要分為化學(xué)激光器、氣體激光器、基于稀土或過渡金屬離子摻雜的激光器、量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器、基于非線性頻率變換的激光器。

據(jù)銀月光報道，近期，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所祁峰研究員課題組在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“中紅外激光器研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。祁峰研究員主要從事微波、激光、雷達(dá)方面的研究工作。

這項研究綜述了中紅外激光器的研究進(jìn)展，其波段涵蓋了1.5–24 μm，從不同激光器的原理及特點出發(fā)，回顧每種激光器的發(fā)展歷程，并展望其發(fā)展前景。

中紅外化學(xué)激光器的優(yōu)點是具有超高的功率，主要用于軍事、光學(xué)武器等領(lǐng)域?；瘜W(xué)激光器的基本原理是通過利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量，使物質(zhì)原子產(chǎn)生相應(yīng)的激發(fā)，實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)激光的輸出。目前，常見的化學(xué)激光器有氟化氫（HF）、氟化氘（DF）、溴化氫（HBr）、氯化氫（HCl）等，它們可以實現(xiàn)2.7μm、3.8μm和4.3μm左右的中紅外輸出。

氣體激光器主要利用氣體或蒸汽作為工作介質(zhì)來產(chǎn)生激光，該激光器利用特定刺激下電子的碰撞和能量轉(zhuǎn)移，使氣體粒子達(dá)到高能級，形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷?；瘜W(xué)激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作舒適、工質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好、長期運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點。根據(jù)不同的氣體，其能在不同的波長范圍內(nèi)激射出激光。

基于稀土離子或其他金屬離子摻雜的激光器的核心思想是通過在激光晶體中摻雜其他雜質(zhì)，使激光晶體的能級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，雜質(zhì)作為增益介質(zhì)的一部分實現(xiàn)中紅外輸出，與其他類型激光器相比，該類激光器具有很高的轉(zhuǎn)化效率。目前主要的摻雜雜質(zhì)為稀土離子（Tm3+，Ho3+，Er3+）及過渡金屬（Cr2+，F(xiàn)e2+）。

量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器（QCL）利用半導(dǎo)體導(dǎo)帶子帶之間的電子躍遷和聲子共振支持隧穿來產(chǎn)生光放大，該類激光器的輸出波長由導(dǎo)帶子帶之間的能量差選擇，與半導(dǎo)體材料的禁帶寬窄大小無關(guān)。因此，可以通過改變量子阱層的厚度及數(shù)量來控制波長。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器的受激輻射機(jī)制不同，量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器的受激輻射只有電子介入，激射的波長大小可經(jīng)過有源區(qū)的勢壘和勢阱的能帶剪輯來控制。量子級聯(lián)激光器的的級聯(lián)過程是它的優(yōu)勢，通過結(jié)合量子化和量子隧道機(jī)理將多個量子阱結(jié)構(gòu)串聯(lián)，電子從高能級躍遷到低能級的過程中，非但沒有損耗，還能加入到下一個進(jìn)程中再次發(fā)光。這種級聯(lián)過程能使這些電子反復(fù)循環(huán)，因而造就了一種讓人驚奇的激光器。

非線性光學(xué)頻率變換是利用非線性效應(yīng)的頻率變換，將近紅外波段的激光轉(zhuǎn)換為中紅外激光輸出的一種方法，其不再依賴增益介質(zhì)中摻雜的離子能級特性，而是依賴于光在介質(zhì)中與物質(zhì)的相互作用，有和頻（SFG）、光學(xué)參量(OPG)、光學(xué)參量振蕩(OPO)、倍頻（SHG）、差頻(DFG)和光學(xué)參量放大(OPA)等幾種方式?；诜蔷€性光學(xué)頻率變換技術(shù)的中紅外激光器的核心器件為光學(xué)晶體，目前利用各類光學(xué)晶體產(chǎn)生中紅外激光的最常用的方式為差頻（DFG）和光學(xué)參量振蕩（OPO）兩種。

各種激光器各有優(yōu)劣，在不同的領(lǐng)域都有其重要應(yīng)用?；瘜W(xué)激光器具有超高的功率，主要用于軍事、光學(xué)武器等領(lǐng)域，但是會產(chǎn)生有害物質(zhì)，且體積大、成本高，但是它在中紅外波段2–5μm波段范圍內(nèi)的寬廣覆蓋，且其特有的超大功率與高質(zhì)量光束令其仍具有不錯的發(fā)展空間。

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審核編輯 黃昊宇