8-12μm長波紅外激光位于大氣傳輸窗口和人眼安全范圍，在大氣介質中傳輸具有更高的透過率，因此在定向紅外對抗、環境監測和激光雷達等領域具有重要應用，同時也廣泛應用于外科手術等激光醫療領域。目前獲得8-12μm長波紅外激光的方法主要包括以二氧化碳（CO2）激光器和半導體量子級聯激光器（quantum cascade laser，QCL）為代表的增益介質“直接輻射”，以及以二階非線性頻率變換（非線性光學技術）為代表的“間接輻射”，圖1展示了三種方法的發展歷程。

圖1 二階非線性頻率變換、CO2激光器與QCL的發展狀況

據麥姆斯咨詢報道，近日，河北工業大學的研究人員在《光學學報》期刊上發表了以“基于非線性頻率變換的長波紅外激光器研究進展”為題的文章。文中對二階非線性頻率變換技術的工作原理、常用紅外非線性晶體的物理和非線性光學特性、長波紅外激光器的研究進展和輸出特性進行了綜述，同時對基于二階和三階非線性頻率變換技術的長波紅外激光器進行了總結與展望，期待能夠為從事長波紅外激光器的研發和工程技術人員提供參考。

用于長波紅外的非線性光學晶體

目前OPG、OPO、DFG、OPA等二階非線性頻率變換技術是獲取8-12μm長波紅外激光的重要技術手段，其轉換過程如圖2所示。在目前可用于實現長波紅外輸出的非線性晶體中，ZGP、CdSe、GaSe等晶體發展時間長、研究較為成熟，BGSe、LGS、OP-GaAs、OP-GaP等晶體是近年來應用于長波紅外頻率變換的新型非線性晶體。BGSe由中國科學院在2010年首次成功制備，LGS晶體是用Li離子將傳統紅外非線性晶體硫鎵銀（AgGaS2）中Ag離子替換得到的，OP-GaAs、OP-GaP晶體是特性較為優異的準相位匹配材料。

圖2 典型的二階非線性頻率變換過程示意圖（a）OPG，（b）OPO，（c）DFG，（d）OPA

長波紅外激光器研究進展

ZGP長波紅外激光器研究進展

目前，基于ZGP晶體的長波紅外激光器大多采用OPO、OPA結構，或兩者結合的級聯結構。由于ZGP晶體的透過率在10μm及以上時會出現明顯下降，因此目前基于ZGP的長波紅外激光器的輸出光譜范圍主要集中在8-10μm。

2015年，Yu等通過實驗發現對于8μm閑頻光輸出，更長的OPO諧振腔長度、環型腔結構和Ⅰ類相位匹配都有助于提高輸出光的光束質量。根據這一規律，實驗獲得的最佳光束質量因子M2在水平方向和垂直方向分別為1.22和1.20。

2019年，Liu等利用最高平均輸出功率100W、波長2.09μm、重復頻率10kHz的Ho:YAG激光器作為泵浦源，在基于Ⅱ類相位匹配的ZGP-OPO和Ⅰ類相位匹配的ZGP-OPA級聯系統中，獲得了最高平均功率為12.6W、脈沖寬度21.5ns的8.2μm激光輸出，對應轉換效率為12.6%，這是目前ZGP長波紅外激光器取得的最高功率。

2020年，Liu等報道了9.8μm高功率長波紅外ZGP-OPO結構，泵浦源采用最高平均輸出功率為90W、波長2.09μm、重復頻率10kHz的Ho:YAG主振蕩功率放大器（master oscillator power amplifier，MOPA），ZGP晶體在基于Ⅰ類相位匹配的條件下得到了最高平均功率為3.5W、脈寬19.6ns、中心波長9.8μm的長波激光輸出，轉換效率3.9%；基于Ⅱ類相位配的條件下實現了9.2-11μm可調諧的長波紅外激光輸出。

2021年，Qian等使用最高平均功率為52W、重復頻率1kHz、波長2.1μm的Ho:YAG-MOPA系統作為泵浦源，通過ZGP-OPO結構獲得了最高平均輸出功率為3.15W、脈寬8.1ns、中心波長8.2μm的長波紅外激光輸出。

BGSe長波紅外激光器研究進展

在1μm激光泵浦BGSe產生長波紅外激光方面，2019年，Kolker等使用波長為1.05μm、脈沖寬度16ns、重復頻率100Hz的Nd:YLF激光器作為泵浦源，采用基于Ⅰ類相位匹配的線型腔BGSe-OPO結構，實驗得到了2.6-10.4μm可調諧輸出的紅外激光，8μm處脈沖能量為14μJ，裝置如圖3所示。

圖3 紅外可調諧BGSe-OPO激光器

2020年，Yang等報道了一臺8-14μm連續可調諧的高能量皮秒級BGSe-OPA長波紅外激光器，BGSe晶體為Ⅰ類相位匹配，泵浦源為重復頻率10Hz、脈沖寬度30ps、波長1064nm的Nd:YAG激光器，種子光（信號光）波長為1151-1227nm連續可調諧、能量范圍0-200μJ，實驗最終得到了脈沖能量140-230μJ、波長8-14μm連續可調諧的長波紅外激光輸出，9.5μm處能量最高為230μJ，脈沖寬度約22.3ps。同年，Xu等使用脈沖能量為39.5mJ、波長1.06μm、重復頻率10Hz、脈沖寬度10ns的Nd:YAG激光器作為泵浦源，采用了基于Ⅰ類相位匹配的BGSe-OPO結構，最終得到了8-14μm可調諧的長波紅外激光輸出，11μm處脈沖能量最高為1.05mJ，轉換效率2.65%。

除了1μm光源泵浦外，BGSe同樣可以使用2μm等更長波長的泵浦源，且理論上具有更高的頻率轉換效率。

CdSe和GaSe長波紅外激光器研究進展

目前，CdSe晶體僅限于實現Ⅱ類相位匹配，其長波紅外激光器的輸出波段主要覆蓋在10-12μm，且可應用的頻率變換技術僅限于OPO。2016年，Yuan等報道了一種信號光諧振CdSe-OPO結構，采用的泵浦源為重復頻率500Hz、波長2.09μm的Ho:YAG激光器，最終實現了10-11.1μm的可調諧紅外激光輸出，10.28μm處功率為140mW，脈沖寬度19ns，轉換效率2%。

2017年，Yuan等報道了一種輸出波長12.07μm、最高輸出功率為170mW的CdSe-OPO結構，該結構以Ho:YAG激光器作為泵浦源，實現了調諧范圍10.24-12.07μm的輸出，重復頻率為1.2kHz。

2020年，Yuan團隊報道了一種具有連續波種子注入和腔內光束擴展功能的閑頻光諧振CdSe-OPO結構，如圖4所示，輸出光的調諧范圍9.9-10.7μm，在10.1μm處獲得了1.05W最高平均功率，重復頻率1kHz，脈沖寬度24.4ns，轉換效率4.69%。同年，Chen等報道了一種由2.58μm連續激光器注入的閑頻光諧振CdSe-OPO結構，該激光器在11.01μm處獲得了802mW的平均輸出功率。

圖4 可調諧CdSe-OPO長波紅外激光器

2021年，Yang等使用波長為2.09μm、重頻1kHz的Ho:YAG-MOPA系統作為CdSe-OPO結構的泵浦源，實驗中使用了兩塊不同尺寸的CdSe晶體，分別獲得了在10.15μm處1.03W的最高平均輸出功率和11μm處1.18W的最高平均輸出功率。

以IPDFG和OPA技術獲得高重頻、飛秒級超短脈沖的長波紅外激光是近年GaSe長波紅外激光器研究內容中的熱點。2019年，Butler等使用2μm飛秒級光纖激光器作為泵浦源，采用了基于Ⅰ類相位匹配的GaSe-IPDFG結構，如圖5所示，獲得了最高平均功率0.5W、重復頻率50MHz、脈沖寬度43fs的6-18μm寬光譜輸出，這是目前GaSe長波紅外激光器能實現的最高平均功率和重復頻率。

圖5 高重頻、寬光譜GaSe-IPDFG長波紅外激光器

LGS長波紅外激光器研究進展

LGS晶體是傳統紅外非線性晶體硫鎵銀（AgGaS2）將自身中Ag離子替換為Li離子得到的。2019年，Chen等取得了目前LGS長波紅外激光器的最短脈沖寬度為32fs，其重復頻率50kHz、脈沖能量220nJ、輸出波長5-11μm的寬光譜，實驗裝置采用了基于Ⅰ類相位匹配的LGS-OPA結構，如圖6所示，泵浦光中心波長1026nm、重復頻率50kHz，脈沖寬度270fs、脈沖能量187μJ。同年，Qu等取得了目前LGS長波紅外激光器的最高平均輸出功率140mW，其輸出波長為9μm，重復頻率10kHz，脈沖寬度142fs。

圖6 LGS-OPA長波紅外激光器

OP-GaAs和OP-GaP長波紅外激光器研究進展

目前對于OP-GaAs長波紅外激光器的研究，脈沖寬度主要在納秒級、平均功率在毫瓦級。2016年，Wueppen等采用了基于環形腔的OP-GaAs-OPO結構，OP-GaAs的周期長度為74.5μm，實驗獲得了OP-GaAs長波紅外激光器目前最高的平均功率812mW，中心波長10.6μm，重復頻率50kHz，脈沖寬度100ns，實驗所用泵浦源波長1.95μm，實驗裝置如圖7所示。

圖7 OP-GaAs-OPO長波紅外激光器

近年來對于OP-GaP長波紅外激光器的研究中，激光器的重復頻率主要在百兆赫茲級，脈沖寬度在飛秒級。2021年，Schunemann等使用波長1040nm的飛秒級光纖激光器，基于OP-GaP-OPO結構，OP-GaP周期長度為21.0μm，實驗獲得了最高平均功率60mW、重復頻率100MHz、3.9-12μm可調諧的飛秒級紅外激光輸出。

總結

近年來，基于上述非線性晶體的長波紅外激光器在短脈沖寬度、高重頻、輸出波長調諧和高功率、脈沖能量等方面有著出色的表現。

脈沖寬度方面，長波紅外激光器覆蓋了飛秒級、皮秒級、納秒級，GaSe、LGS、OP-GaP長波紅外激光器可實現飛秒脈沖輸出，BGSe長波紅外激光器可實現皮秒脈沖輸出，ZGP、BGSe、CdSe、OP-GaAs長波紅外激光器均可實現納秒脈沖輸出。

重復頻率方面，長波紅外激光器能實現赫茲級、千赫茲級、兆赫茲級輸出，LGS、OP-GaP長波紅外激光器最高可達到百兆赫茲重復頻率的輸出。

現階段長波紅外激光的輸出能量主要處在微焦和毫焦級。其中，ZGP、BGSe 和CdSe晶體得益于自身優異的性質，基于這三種晶體的長波紅外激光器在脈沖能量上處在較高水平，ZGP、BGSe和CdSe長波紅外激光器獲得的最大脈沖能量分別為為3.15mJ、4.5mJ、1.18mJ；基于GaSe、LGS、OP-GaAs幾種晶體的長波紅外激光器獲得的最大脈沖能量分別為3.4μJ、14μJ、16.2μJ；OP-GaP長波紅外激光器獲得的脈沖能量最小，僅能獲得納焦級的脈沖能量輸出。

編輯：黃飛

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