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用于光电对抗的高重频中红外激光器综述

刘晓旭 韩聚洪 蔡和 杨峰 荣克鹏 安国斐 王浟

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用于光电对抗的高重频中红外激光器综述

    作者简介: 刘晓旭(1982-), 男, 高级工程师, 现主要从事中红外激光技术的研究.
    通讯作者: 王浟, youwang_2007@aliyun.com
  • 基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2017YFB0405101

  • 中图分类号: TN248

Review of high repetition-rate mid-infrared lasers for photoelectric countermeasures

    Corresponding author: WANG You, youwang_2007@aliyun.com
  • CLC number: TN248

  • 摘要: 高重频中红外激光器在光电对抗及其它领域具有重要的应用价值, 其输出的激光波长覆盖了3μm~5μm, 主要包括直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光学参量振荡器3种类型。介绍了产生高重频中红外激光的主要技术方案, 并讨论了上述3种类型激光器的相关进展状况。最后, 对各种技术所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。
  • 图 1  波长可调谐的掺Fe2+: ZnSe激光器的光路图[8]

    图 2  Q掺Ho3+/Pr3+光纤激光器[15]

    图 3  主动调Q掺Ho3+: ZBLAN光纤激光器[18]

    图 4  被动调Q掺Ho3+: ZBLAN光纤激光器[22]

    图 5  被动调Q掺Er3+: ZBLAN光纤激光器[31]

    图 6  石墨烯锁模掺Er3+: ZBLAN光纤激光器[36]

    图 7  黑磷调Q和锁模掺Er: ZBLAN光纤激光器[41]

    图 8  Yb光纤激光器抽运皮秒MgO: PPLN OPO[42]

    图 9  Nd: YAG激光器抽运PPMgO: CLN OPO[51]

    图 10  Ho: YAG激光器抽运ZGP OPO[59]

    图 11  Ho: YAG激光器抽运ZGP OPO[64]

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-31
  • 录用日期:  2020-10-22
  • 刊出日期:  2021-05-25

用于光电对抗的高重频中红外激光器综述

    通讯作者: 王浟, youwang_2007@aliyun.com
    作者简介: 刘晓旭(1982-), 男, 高级工程师, 现主要从事中红外激光技术的研究
  • 西南技术物理研究所, 成都 610041
基金项目:  国家重点研发计划资助项目 2017YFB0405101

摘要: 高重频中红外激光器在光电对抗及其它领域具有重要的应用价值, 其输出的激光波长覆盖了3μm~5μm, 主要包括直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光学参量振荡器3种类型。介绍了产生高重频中红外激光的主要技术方案, 并讨论了上述3种类型激光器的相关进展状况。最后, 对各种技术所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。

English Abstract

    • 中红外激光的波长位于3μm~5μm范围内,正好位于大气的传输窗口,在大气环境中传输时其能量衰减较小。因此,中红外激光在遥感、大气监控、环境保护、激光制导、光电对抗等领域具有重要的应用。另外,由于中红外波段存在着众多的分子特征吸收谱线,可广泛应用于气体检测和光谱分析等领域。近年,中红外激光正在逐渐成为相关领域的研究热点。

      中红外激光器可以工作在连续或脉冲模式。通常,激光器输出脉冲的重频大于1kHz时,可将其称为高重频激光器。光电对抗系统中最重要的构成部分就包含了高重频中红外激光器,而提高高重频中红外激光器的性能就能够直接增强光电对抗系统的效能。在定向红外对抗中,大多数红外导引头都针对目标实施了时域调制。为了应对这一措施,干扰用激光器必须以脉冲方式工作,其脉冲重频的范围大约是20kHz~50kHz[1];激光雷达采用了高重频、大动态范围、相干激光测距和测速技术[2];光子计数激光测距通常采用低能量、高重频激光器,最后通过统计分析得到距离信息,这样能够达到消除噪声影响、抑制虚警概率和提高测距精度的目的[3]

      本文中主要介绍了3类高重频中红外激光器:直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光参量振荡器,讨论了这3类激光器的相应研究进展,也对主要相关技术中所存在的问题和中红外激光器未来的发展方向进行了分析和展望。

    • 目前,直接抽运式中红外固体激光器的增益介质主要是Fe2+离子掺杂的ZnS,ZnSe,ZnTe和CdSe等晶体,其中,对Fe2+: ZnSe晶体的研究最为深入。因为Fe2+: ZnSe晶体具有较宽的吸收带宽,能够输出波长调谐范围较宽、光束质量较好的中红外激光,所以长期以来都是中红外激光研究的焦点。由于Fe2+: ZnSe中红外激光器的抽运源激光的重频一般受到很大的限制,所以高重频抽运源激光器的报道相对较少,这直接导致了Fe2+: ZnSe中红外激光器的重频通常小于0.1kHz。在研究初期,Fe2+: ZnSe激光器只能在低温下运行。近年,受益于抽运源和相关新技术的飞速发展,Fe2+: ZnSe激光器已经能够工作在相对较高的温度甚至是室温。

      1999年,美国利弗莫尔实验室的ADAMS等人利用波长2.698μm的Er: YAG激光器在低温(15K~18K)条件下抽运Fe2+: ZnSe晶体,首次实现了波长调谐范围为3.98μm~4.54μm的激光输出,脉冲重频达到了100Hz[4]。2005年,美国阿拉巴马大学的KERNAL等人利用调Q Nd: YAG激光器抽运Fe2+: ZnSe晶体,首次实现了室温条件下的激光输出,激光脉冲频率为10Hz,波长调谐范围为3.9μm~4.8μm[5]。2006年,美国阿拉巴马大学的AKIMOV等人利用Er: YAG激光器输出波长2.9364μm的巨脉冲,抽运Fe2+: ZnSe晶体得到了有效的室温激光输出,激光脉冲的重频为60Hz,脉冲宽度为100ns,波长在3.95μm~5.05μm之间连续可调谐[6]。2014年,美国空军实验室的EVANS等人利用波长2936nm的Er: YAG激光器双端抽运Fe2+: ZnSe晶体,使用半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirrors, SESAM)作为调Q元件,在低温条件下输出了波长为4045nm的激光,脉冲宽度为64ns,脉冲重频约为0.85MHz[7]。2015年,IPG公司的MARTYSHKIN等人报道了在当时具有最高平均功率(35W)的Fe2+: ZnSe激光器。温度在77K时,波长调谐范围是3.88μm~4.17μm,脉冲重频为100Hz,脉冲宽度为150μs,实验装置如图 1所示[8]

      图  1  波长可调谐的掺Fe2+: ZnSe激光器的光路图[8]

      国内对Fe2+: ZnSe中红外激光器的研究开展时间较短,迄今为止,只有几家机构报道了相关研究结果。总的来说,国内关于Fe2+: ZnSe中红外激光器的研究仍处于较为初级的阶段。2014年,华北光电技术研究所的XIA等人采用热扩散掺杂技术制备了Fe2+: ZnSe晶体,利用波长为2.9μm,脉冲重频为1kHz的中红外激光器抽运Fe2+: ZnSe晶体,室温输出了中心波长为4.45μm,脉冲宽度为25ns,平均功率为67mW的中红外激光[9]。2015年,哈尔滨工业大学的YAO等人采用波长为2.89μm,脉冲重频为1kHz的磷锗锌(ZnGeP2, ZGP)光学参量振荡器(optical parametric oscillator, OPO)抽运Fe2+: ZnSe晶体, 当抽运功率为1.43W时,获得激光的平均功率为53mW,脉冲宽度为25ns,激光的中心波长为4.45μm,范围为4.33μm~4.61μm[10]。同年,中国科学院电子所的KE等人采用波长为2.6μm~3.1μm,脉冲宽度为180ns的非链式脉冲HF激光器抽运Fe2+: ZnSe晶体,室温实现了单脉冲能量为15mJ的激光输出,光光转换效率达到15%[11]

    • 中红外光纤材料的声子能量较低,中红外光在其中的传输损耗较小。目前,常用的中红外光纤为氟化物光纤和硫化物光纤。氟化物光纤ZBLAN的性质稳定,并得到了广泛使用,其成分包括0.53ZrF4,0.20BaF2,0.04LaF3,0.03AlF3和0.20NaF(数值为摩尔分数)。利用掺杂Tm3+,Ho3+,Er3+等离子的氟化物光纤,已经能够实现波长为2μm~3μm的激光输出。目前,波长为3μm的高重频光纤激光器主要使用掺Er3+: ZBLAN和掺Ho3+: ZBLAN作为增益介质,按照工作方式分为调Q和锁模光纤激光器两种类型。

    • 1994年,德国布伦瑞克工业大学的FRERICHS等人首次报道了掺Er3+: ZBLAN光纤激光器在3μm波段调Q输出了波长为2.7μm的激光,脉冲宽度为100ns,重频达到10kHz[12]。2004年,英国曼彻斯特大学的COLEMAN等人利用波长为972nm的LD抽运Er3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤输出了波长为2.7μm的激光,脉冲宽度为250ns,重频为19.5kHz[13]。2011年,日本京都大学的TOKITA等人利用波长为975nm的LD抽运掺Er3+: ZBLAN光纤,调Q输出了波长为2.8μm的激光,激光脉冲宽度为90ns,重频为120kHz,平均功率为12W[14]。2012年,澳大利亚悉尼大学的HU等人利用波长为1150nm的LD抽运源Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤,调Q输出了波长为2.867μm的激光,激光脉冲宽度为78ns,重频为40kHz~300kHz,最大平均功率为0.72W,实验装置如图 2所示[15]。2015年,德国LISA激光公司的LAMRINI等人利用掺Ho3+: ZBLAN光纤,调Q输出波长为2.79μm的激光,激光脉冲宽度为53ns,重频为1kHz,平均功率为0.56W[16]

      图  2  调Q掺Ho3+/Pr3+光纤激光器[15]

      2012年,国内的电子科技大学的LI等人利用波长为1150nm的LD抽运掺Ho3+: ZBLAN光纤,调Q输出波长为3.005μm和2.074μm两个波长的激光,对应激光脉宽分别为380ns和260ns,重频都为25kHz[17]; 2013年,他们调Q实现了波长为2.97μm~3.015μm激光的调谐输出,激光脉冲宽度为300ns~410ns,重频为40kHz,实验装置如图 3所示[18]

      图  3  主动调Q掺Ho3+: ZBLAN光纤激光器[18]

    • 1996年,德国布伦瑞克工业大学的FRERICHS等人报道了利用InAs外延层作为可饱和吸收体,以被动调Q和锁模的方式工作,输出激光波长为2.7μm的掺Er3+: ZBLAN光纤激光[19]。2012年,美国亚利桑那大学的WEI等人利用LD抽运掺Er3+: ZBLAN单模光纤,使用掺Fe2+: ZnSe晶体被动调Q,输出激光波长为2.8μm,单脉冲能量为2.0μJ,脉冲宽度为0.37μs,对应的峰值功率为5.34W,重频达到了0.161MHz[20]; 2013年,他们又利用LD抽运掺杂长度为10m的Er3+: ZBLAN光纤,石墨烯被动调Q,输出激光波长为2.78μm,单脉冲能量为1.67μJ,脉冲宽度为2.9μs,脉冲重频为37kHz;当光纤长度缩短到2m时,脉冲宽度减小为1μs[21]。2013年,美国亚利桑那大学的ZHU等人利用波长1.15μm的光纤激光器抽运掺Ho3+: ZBLAN光纤,实现了被动调Q的激光输出,掺Fe2+: ZnSe晶体和石墨烯作为可饱和吸收体,分别对应的输出波长为2.93μm和3μm,脉冲宽度分别为0.82μs和1.2μs,重频分别为105kHz和100kHz,图 4所示为实验装置[22]

      图  4  被动调Q掺Ho3+: ZBLAN光纤激光器[22]

      2014年~2015年,电子科技大学的LI等人利用波长为1.15μm的LD抽运掺Ho3+: ZBLAN光纤,分别用SESAM、Bi2Te3晶体和掺Fe2+: ZnSe晶体作为被动调Q元件,输出激光波分别长为2.971μm,2.9799μm和2.9191μm~3.0042μm,脉冲宽度分别为1.68μs,1.37μs和1.23μs~2.35μs,脉冲重频分别为47.6kHz,81.96kHz和96.1kHz~43.56kHz[23-25]。2015年,上海交通大学的QIN等人第1次报道了采用黑磷(black phosphorus, BP)作为可饱和吸收体,实现波长为2.8μm调Q运行的光纤激光器。光纤激光器输出最大平均功率为485mW,对应单脉冲能量为7.7μJ,脉冲宽度为1.18μs,脉冲重频为63kHz[26]。2016年,四川大学、深圳大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究人员利用LD抽运掺Er3+: ZBLAN光纤,分别使用掺Fe2+: ZnSe晶体、Bi2Te3晶体和SESAM作为调Q元件,输出激光波长都在2.8μm左右,单脉冲能量为几个微焦,脉冲宽度为几百纳秒,重频分别为102.94kHz,50kHz和146.3kHz[27-29]。同年,电子科技大学的WEI等人首次报道了WS2薄膜作为可饱和吸收体,利用LD抽运Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤,输出激光波长为2.8657μm,激光平均功率为48.4mW,单脉冲能量为0.37μJ,脉冲宽度为1.73μs,脉冲重频为131.6kHz[30]。2018年,电子科技大学的LAI等人利用波长为976nm的LD抽运掺Er3+: ZBLAN光纤,SESAM被动调Q输出激光波长为2.7988μm,最大平均功率为3.01W,单脉冲能量为10.82μJ,脉冲宽度为0.45μs,脉冲重频为278.5kHz,图 5所示为实验装置[31]

      图  5  被动调Q掺Er3+: ZBLAN光纤激光器[31]

    • 2012年,美国亚利桑那大学的WEI等人利用LD抽运掺Er3+: ZBLAN光纤,掺Fe2+: ZnSe晶体被动锁模,输出激光波长为2.8μm,平均功率为51mW,脉冲宽度为19ps,脉冲重频为50MHz[32]。2014年~2016年,加拿大拉瓦尔大学的HABOUCHA等人和DUVAL等人、澳大利亚悉尼大学的HU等人、美国亚利桑那大学的ZHU等人分别利用LD抽运掺Er3+: ZBLAN光纤,输出激光波长为2.8μm左右,脉冲宽度分别为60ps,0.207ps,0.497ps和42ps,脉冲重频分别达到51.75MHz,55.2MHz,56.7MHz和25.4MHz[33-36]图 6所示为美国亚利桑那大学的ZHU等人的实验装置。

      图  6  石墨烯锁模掺Er3+: ZBLAN光纤激光器[36]

      2012年和2016年,电子科技大学的LI等人、国防科技大学的YIN等人分别利用LD抽运共掺Ho3+/Pr3+: ZBLAN光纤,SESAM、Bi2Te3纳米片可饱和吸收体锁模输出激光,波长位于2.87μm和2.83μm,平均功率为132mW和90mW,单脉冲能量为4.9nJ和8.6nJ,脉冲宽度为24ps和6ps,脉冲重频为27.1MHz和10.4MHz[37-38]。2015年,湖南大学的TANG等人设计了基于SESAM的掺Er3+: ZBLAN锁模光纤激光器,输出激光波长为2.8μm,最高平均功率超过1W,脉冲宽度为25ps,脉冲重频达到22.56MHz[39]。2016年和2018年,上海交通大学的QIN等人利用基于BP可饱和吸收体的掺Er3+: ZBLAN锁模光纤激光器,输出激光波长为2.8μm和3.489μm,平均功率为613mW和40mW,脉冲重频为24MHz和28.91MHz[40-41]图 7所示为相应的实验装置[41]

      图  7  黑磷调Q和锁模掺Er: ZBLAN光纤激光器[41]

    • 晶体中发生的光学参量振荡是一种非线性过程,借此短波激光可以被变换到中红外波段。中红外OPO所使用的非线性晶体主要包括磷酸氧钛钾(KTiOPO4, KTP)、硒镓银(AgGaSe2)、磷锗锌(ZnGeP2, ZGP)、周期性极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate, PPLN)等。其中,PPLN和ZGP晶体使用最为广泛。PPLN的特点是具有较高的非线性系数,并且性质很稳定,通过掺杂MgO可提高PPLN的光折变损伤阈值,这使得PPLN成为一种较为理想的非线性晶体。利用这些有利条件,满足准相位匹配(quasi-phase-matching, QPM)条件的PPLN OPO就能够高效地输出中红外激光。通过调节MgO掺杂PPLN(MgO-doped PPLN, MgO: PPLN)晶体的温度和极化周期,可以实现中红外全波段的可调谐输出。ZGP的特点是具有良好的导热性,非线性系数较大,且制备工艺成熟。高功率输出的中红外OPO可以采用波长2μm的脉冲激光抽运ZGP得到。近年来,研究人员采用掺铥光纤激光器直接抽运ZGP输出中红外激光,有效地提高了激光器的稳定性,并同时简化了相应的结构。

    • 2010年,西班牙光子科学研究所的KOKABEE等人利用掺镱光纤激光器抽运MgO: PPLN晶体,在抽运功率为16W时获得了波长为1.47μm、功率为7.1W的信号光和波长为3.08μm、功率为4.9W的闲频光,激光的脉冲宽度为17.3ps,脉冲重频为81.1MHz,图 8所示为实验装置[42]。2011年,法国航空航天实验室的HARDY等人利用调Q Nd: YAG激光器抽运嵌套腔,双谐振光参量振荡器(nested-cavity, doubly resonant optical parametric oscillator, NesCOPO),输出波长为3.9μm的激光,波长调谐范围为3.8μm~4.3μm,脉冲重频为4.8kHz[43]。2012年,英国南安普顿大学的LIN等人利用掺Yb3+光纤激光器抽运周期极化MgO掺杂铌酸锂(periodically poled magnesium-oxide doped lithium niobate, PPMgLN),输出波长为3.82μm的激光,功率达到5.5W,脉冲重频为100kHz[44]。2013年,西班牙光子科学研究所的KIMMELMA等人利用脉冲重频为80MHz的掺Yb光纤激光器抽运MgO: PPLN OPO, 输出的中红外激光脉冲重频增大到了7GHz[45]。2014年,西班牙光子科学研究所RAMAIAH-BADARLA等人报道了采用锁模掺Yb光纤激光器抽运两块MgO: PPLN晶体,实现了双信号光、双闲频光同步可调谐输出,中红外激光波长调谐范围为3118nm~3393nm,脉冲重频达到了160MHz[46]。2015年,英国南安普顿大学的XU等人利用光纤主振功率放大(master oscillator power amplifier, MOPA)系统抽运MgO: PPLN,输出波长闲频光可调谐范围为2.3μm~3.5μm,单脉冲能量为1.5μJ,脉冲重频为1MHz[47]。2016年,法国巴黎-萨克雷大学的RIGAUD等人利用高能量飞秒掺Yb光纤放大器抽运的MgO: PPLN OPO输出中红外激光的波长为3.07μm,单脉冲能量为10μJ,脉冲宽度为72fs,脉冲重频为125kHz[48]。2017年,英国伦敦帝国理工学院的MURRAY等人利用掺Yb/Er光纤主振荡功率放大系统抽运MgO: PPLN,中红外激光输出功率大于6W,波长范围为3.31μm~3.48μm,脉冲重复频率为1MHz~50MHz,这是目前单通光纤MOPA抽运激光输出的最高水平[49]

      图  8  Yb光纤激光器抽运皮秒MgO: PPLN OPO[42]

      2009年,华中科技大学的XIA等人利用声光调Q Nd: YAG激光器抽运单谐振PPLN OPO和MgO: PPLN OPO,通过改变晶体温度和极化周期长度,输出了中红外波段闲频光的波长调谐范围为2.80μm~4.79μm,脉冲重频为10kHz[50]。同年,中国工程物理研究院的PENG等人利用类似的声光调Q Nd: YAG激光器抽运单谐振周期极化MgO掺杂同组分铌酸锂晶体(periodically poled MgO-doped congruent LiNbO3 crystal, PPMgO: CLN),晶体温度为110℃时,波长为3.84μm的激光平均功率达到了16.7W,斜率效率为19.1%,脉冲重频为7kHz,M2因子在平行和垂直方向分别为2.03和5.89[51],相应的实验装置如图 9所示。2010年,清华大学的LIU等人利用高重频声光调Q Nd: YVO4激光器抽运周期极化MgO掺杂铌酸锂(periodically-poled MgO doped lithium niobate, PPMgOLN),对应于3个不同的极化周期,这种中红外OPO输出闲频光的波长分别为3591nm、3384nm和3164nm,平均功率分别为3.0W,2.7W和4.3W,脉冲重频为76.8kHz[52]。同年,浙江大学的WU等人利用输出线偏振激光的声光调Q Nd: YVO4激光器作为抽运源,使用半外腔结构构建了室温工作的高效、高功率中红外MgO: PPLN OPO,输出激光波长为3.82μm,功率为9.23W,脉冲重频为52kHz[53]。2012年,中国科学院上海光学精密机械研究所的XU等人利用波长为1.9μm的声光调Q Tm掺杂氟化钇锂(LiYF4, YLF)Tm: YLF激光器作为抽运源,首次在室温实现了高效、双振荡MgO: PPLN OPO,信号光和闲频光的波长约等于3.8μm,功率为2.9W,脉冲重频为2kHz[54]。同年,中国工程物理研究院的PENG等人利用Nd: YAG MOPA偏振激光系统作为抽运源,构建了单谐振MgO: PPLN OPO,输出波长为3.91μm的中红外激光,平均功率达到了27W,脉冲重频为10kHz,波长调谐范围为3.7μm~4.0μm[55]。2014年,山东大学的LIU等人利用掺Yb光纤激光器抽运MgO: PPLN,构建了波长可调谐、高效的中红外耦合输出单谐振OPO,输出闲频光波长在3.0μm~3.9μm之间可连续调谐,脉冲重频可达到50kHz[56]。2015年,深圳大学的LIU等人利用体光栅锁波长的电光调Q Er: YAG激光器抽运MgO: PPLN,输出总平均功率超过1W。调节MgO: PPLN晶体的温度,能够使得信号光和闲频光分别在2.67μm~2.72μm和4.17μm~4.31μm范围内调谐,脉冲重频可达到3kHz[57]。同年,华北光电技术研究所的LI等人利用Nd: GdVO4振荡器+MOPA结构抽运MgO: PPLN,输出中红外激光波长为3.81μm,平均功率为5.4W,光光转换效率为15.88%,脉冲重频为10kHz[58]

      图  9  Nd: YAG激光器抽运PPMgO: CLN OPO[51]

    • 2010年,挪威国防研究机构的LIPPERT等人利用输出波长为2.1μm的Tm光纤/Ho: YAG杂化激光器系统抽运ZGP晶体,构建了V型三镜环形谐振腔ZGP OPO,输出信号光和闲频光的波长分别为3.9μm和4.5μm,总功率为22W,脉冲重频为45kHz,图 10所示为相应的实验装置示意图[59]。2013年,澳大利亚国防科技组织的HEMMING等人采用类似的杂化激光系统抽运ZGP晶体,输出激光波长为3μm~5μm,平均功率为27W,重频为35kHz[60]。2014年,美国中弗罗里达大学的GEBHARDT等人直接利用纳秒Tm光纤MOPA系统作为抽运源,构建了双振荡腔ZGP OPO,输出中红外激光的波长为3.7μm,脉冲重频为4kHz[61]。2015年,法国圣路易斯法德研究所的KIELECK等人利用有源Q开关掺Tm3+单谐振保偏双包层光纤作为抽运源,直接抽运ZGP OPO,输出中红外激光波长范围为3μm~5μm,平均功率达到6.5W,脉冲重频为40kHz[62]

      图  10  Ho: YAG激光器抽运ZGP OPO[59]

      2011年,中国工程物理研究院的PENG等人使用KTP OPO输出波长为2.1μm激光,进而抽运ZGP OPO得到信号光和闲频光的波长分别为4.1μm和4.32μm,总的平均功率为5.7W,脉冲重频为8kHz[63]。2014年,哈尔滨工业大学的YAO等人采用Ho: YAG激光器和Ho掺杂镥铝石榴石(Lu3Al5O12, LuAG)Ho: LuAG激光器(激光波长都为2.1μm)抽运ZGP OPO,输出中红外激光的波长范围为3μm~5μm,平均功率分别达到41.2W和5.51W,脉冲重频分别为20kHz和5kHz。图 11所示为Ho: YAG激光器抽运ZGP OPO的实验装置示意图[64-65]。2015年,华北光电技术研究所的HAN等人利用声光调Q Ho: YLF MOPA系统作为抽运源,采用双谐振腔结构构建了ZGP OPO,输出中红外激光波长为3.52μm和4.9μm,总平均功率为26.9W,脉冲宽度为25ns,脉冲重频为5kHz。通过对ZGP OPO进行角度调谐,获得了波长为3.75μm和4.5μm的激光输出[66]。2018年,哈尔滨工业大学的DUAN等人构建了Tm: YLF-Ho: LuAG-ZGP中红外激光系统。Ho: LuAG激光器在声光调Q工作时,输出最大平均功率分别为34.1W,34.9W和35.2W,对应脉冲重频为10kHz,15kHz和20kHz;当Ho: LuAG激光器输出平均功率为34.1W时,ZGP OPO的输出功率分别为16.7W,15.3W和12.6W,对应脉冲重频分别为10kHz,15kHz和20kHz,最小脉冲宽度分别为23ns,27ns和31ns,最大单脉冲能量分别为1.7mJ,1.0mJ和0.6mJ。这是Ho: LuAG激光器抽运ZGP输出中红外激光已知的最好性能。ZGP OPO输出信号光和闲频光的光束质量因子M2分别为2.2和1.9[67]

      图  11  Ho: YAG激光器抽运ZGP OPO[64]

    • 目前,用于光电对抗的固体和光纤高重频中红外激光器仍然是研究的热点。为了提升高重频中红外激光器的性能,需要深入研究并改善中红外激光介质的物理化学性质,发展提高中红外激光器性能的技术。总体看来,国内在相关领域中理论和技术两方面的研究都略显不足。本文中依照时间先后次序,详细总结了几种高重频中红外激光的研究进展状况,并根据已有研究展望了未来具有发展潜力的几个研究方向。实际上,只有若干的关键技术取得较大突破时,高重频中红外固体和光纤激光器才能得到快速的发展。例如,提高抽运源激光器的脉冲重频,是实现高重频Fe2+: ZnSe中红外固体激光器的关键;室温条件下实现中波红外激光的输出以及克服粒子数的瓶颈效应是实现实用型Er3+: ZBLAN光纤激光器的关键;喇曼激光器具有波长可变和结构简单等优点,也可作为中红外光纤激光器的一个重要发展类型;制备高质量、大尺寸OPO晶体是实现高功率中红外激光器的关键。另外,为了简化中红外激光器的结构,减轻系统的重量,提高运行的稳定性,可采用光纤激光器直接抽运OPO晶体的方式,这也是目前高重频中红外OPO激光器的研究重点之一。

参考文献 (67)

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