基于非线性晶体的长波红外激光器应用发展

8-12μm长波红外激光位于大气传输窗口和人眼安全范围，在大气介质中传输具有更高的透过率，因此在定向红外对抗、环境监测和激光雷达等领域具有重要应用，同时也广泛应用于外科手术等激光医疗领域。目前获得8-12μm长波红外激光的方法主要包括以二氧化碳（CO2）激光器和半导体量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）为代表的增益介质“直接辐射”，以及以二阶非线性频率变换（非线性光学技术）为代表的“间接辐射”，图1展示了三种方法的发展历程。

图1 二阶非线性频率变换、CO2激光器与QCL的发展状况

据麦姆斯咨询报道，近日，河北工业大学的研究人员在《光学学报》期刊上发表了以“基于非线性频率变换的长波红外激光器研究进展”为题的文章。文中对二阶非线性频率变换技术的工作原理、常用红外非线性晶体的物理和非线性光学特性、长波红外激光器的研究进展和输出特性进行了综述，同时对基于二阶和三阶非线性频率变换技术的长波红外激光器进行了总结与展望，期待能够为从事长波红外激光器的研发和工程技术人员提供参考。

用于长波红外的非线性光学晶体

目前OPG、OPO、DFG、OPA等二阶非线性频率变换技术是获取8-12μm长波红外激光的重要技术手段，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等晶体发展时间长、研究较为成熟，BGSe、LGS、OP-GaAs、OP-GaP等晶体是近年来应用于长波红外频率变换的新型非线性晶体。BGSe由中国科学院在2010年首次成功制备，LGS晶体是用Li离子将传统红外非线性晶体硫镓银（AgGaS2）中Ag离子替换得到的，OP-GaAs、OP-GaP晶体是特性较为优异的准相位匹配材料。

图2 典型的二阶非线性频率变换过程示意图（a）OPG，（b）OPO，（c）DFG，（d）OPA

长波红外激光器研究进展

ZGP长波红外激光器研究进展

目前，基于ZGP晶体的长波红外激光器大多采用OPO、OPA结构，或两者结合的级联结构。由于ZGP晶体的透过率在10μm及以上时会出现明显下降，因此目前基于ZGP的长波红外激光器的输出光谱范围主要集中在8-10μm。

2015年，Yu等通过实验发现对于8μm闲频光输出，更长的OPO谐振腔长度、环型腔结构和Ⅰ类相位匹配都有助于提高输出光的光束质量。根据这一规律，实验获得的最佳光束质量因子M2在水平方向和垂直方向分别为1.22和1.20。

2019年，Liu等利用最高平均输出功率100W、波长2.09μm、重复频率10kHz的Ho:YAG激光器作为泵浦源，在基于Ⅱ类相位匹配的ZGP-OPO和Ⅰ类相位匹配的ZGP-OPA级联系统中，获得了最高平均功率为12.6W、脉冲宽度21.5ns的8.2μm激光输出，对应转换效率为12.6%，这是目前ZGP长波红外激光器取得的最高功率。

2020年，Liu等报道了9.8μm高功率长波红外ZGP-OPO结构，泵浦源采用最高平均输出功率为90W、波长2.09μm、重复频率10kHz的Ho:YAG主振荡功率放大器（master oscillator power amplifier，MOPA），ZGP晶体在基于Ⅰ类相位匹配的条件下得到了最高平均功率为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类相位配的条件下实现了9.2-11μm可调谐的长波红外激光输出。

2021年，Qian等使用最高平均功率为52W、重复频率1kHz、波长2.1μm的Ho:YAG-MOPA系统作为泵浦源，通过ZGP-OPO结构获得了最高平均输出功率为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进展

在1μm激光泵浦BGSe产生长波红外激光方面，2019年，Kolker等使用波长为1.05μm、脉冲宽度16ns、重复频率100Hz的Nd:YLF激光器作为泵浦源，采用基于Ⅰ类相位匹配的线型腔BGSe-OPO结构，实验得到了2.6-10.4μm可调谐输出的红外激光，8μm处脉冲能量为14μJ，装置如图3所示。

图3 红外可调谐BGSe-OPO激光器

2020年，Yang等报道了一台8-14μm连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类相位匹配，泵浦源为重复频率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连续可调谐、能量范围0-200μJ，实验最终得到了脉冲能量140-230μJ、波长8-14μm连续可调谐的长波红外激光输出，9.5μm处能量最高为230μJ，脉冲宽度约22.3ps。同年，Xu等使用脉冲能量为39.5mJ、波长1.06μm、重复频率10Hz、脉冲宽度10ns的Nd:YAG激光器作为泵浦源，采用了基于Ⅰ类相位匹配的BGSe-OPO结构，最终得到了8-14μm可调谐的长波红外激光输出，11μm处脉冲能量最高为1.05mJ，转换效率2.65%。

除了1μm光源泵浦外，BGSe同样可以使用2μm等更长波长的泵浦源，且理论上具有更高的频率转换效率。

CdSe和GaSe长波红外激光器研究进展

目前，CdSe晶体仅限于实现Ⅱ类相位匹配，其长波红外激光器的输出波段主要覆盖在10-12μm，且可应用的频率变换技术仅限于OPO。2016年，Yuan等报道了一种信号光谐振CdSe-OPO结构，采用的泵浦源为重复频率500Hz、波长2.09μm的Ho:YAG激光器，最终实现了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等报道了一种输出波长12.07μm、最高输出功率为170mW的CdSe-OPO结构，该结构以Ho:YAG激光器作为泵浦源，实现了调谐范围10.24-12.07μm的输出，重复频率为1.2kHz。

2020年，Yuan团队报道了一种具有连续波种子注入和腔内光束扩展功能的闲频光谐振CdSe-OPO结构，如图4所示，输出光的调谐范围9.9-10.7μm，在10.1μm处获得了1.05W最高平均功率，重复频率1kHz，脉冲宽度24.4ns，转换效率4.69%。同年，Chen等报道了一种由2.58μm连续激光器注入的闲频光谐振CdSe-OPO结构，该激光器在11.01μm处获得了802mW的平均输出功率。

图4 可调谐CdSe-OPO长波红外激光器

2021年，Yang等使用波长为2.09μm、重频1kHz的Ho:YAG-MOPA系统作为CdSe-OPO结构的泵浦源，实验中使用了两块不同尺寸的CdSe晶体，分别获得了在10.15μm处1.03W的最高平均输出功率和11μm处1.18W的最高平均输出功率。

以IPDFG和OPA技术获得高重频、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等使用2μm飞秒级光纤激光器作为泵浦源，采用了基于Ⅰ类相位匹配的GaSe-IPDFG结构，如图5所示，获得了最高平均功率0.5W、重复频率50MHz、脉冲宽度43fs的6-18μm宽光谱输出，这是目前GaSe长波红外激光器能实现的最高平均功率和重复频率。

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进展

LGS晶体是传统红外非线性晶体硫镓银（AgGaS2）将自身中Ag离子替换为Li离子得到的。2019年，Chen等取得了目前LGS长波红外激光器的最短脉冲宽度为32fs，其重复频率50kHz、脉冲能量220nJ、输出波长5-11μm的宽光谱，实验装置采用了基于Ⅰ类相位匹配的LGS-OPA结构，如图6所示，泵浦光中心波长1026nm、重复频率50kHz，脉冲宽度270fs、脉冲能量187μJ。同年，Qu等取得了目前LGS长波红外激光器的最高平均输出功率140mW，其输出波长为9μm，重复频率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进展

目前对于OP-GaAs长波红外激光器的研究，脉冲宽度主要在纳秒级、平均功率在毫瓦级。2016年，Wueppen等采用了基于环形腔的OP-GaAs-OPO结构，OP-GaAs的周期长度为74.5μm，实验获得了OP-GaAs长波红外激光器目前最高的平均功率812mW，中心波长10.6μm，重复频率50kHz，脉冲宽度100ns，实验所用泵浦源波长1.95μm，实验装置如图7所示。

图7 OP-GaAs-OPO长波红外激光器

近年来对于OP-GaP长波红外激光器的研究中，激光器的重复频率主要在百兆赫兹级，脉冲宽度在飞秒级。2021年，Schunemann等使用波长1040nm的飞秒级光纤激光器，基于OP-GaP-OPO结构，OP-GaP周期长度为21.0μm，实验获得了最高平均功率60mW、重复频率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、输出波长调谐和高功率、脉冲能量等方面有着出色的表现。

脉冲宽度方面，长波红外激光器覆盖了飞秒级、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。

重复频率方面，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长波红外激光器最高可达到百兆赫兹重复频率的输出。

现阶段长波红外激光的输出能量主要处在微焦和毫焦级。其中，ZGP、BGSe 和CdSe晶体得益于自身优异的性质，基于这三种晶体的长波红外激光器在脉冲能量上处在较高水平，ZGP、BGSe和CdSe长波红外激光器获得的最大脉冲能量分别为为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最大脉冲能量分别为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。

编辑：黄飞