中红外激光的产生方法

中红外激光的产生方法摘要简要概述了产生中红外激光的各种方式,分析了各个方法的有缺 点.并对中红外激光的发展进行了展望.关键词:中红外激光 产生 发展引言激光是 20 世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的 又一个重大发明。它的原理早在 1916 年已被物理学家爱因斯坦发 现，但直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和 生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了飞快 发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而 且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有 的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的 发展。红外激光器是在I960年，由美国物理学家西奥多梅曼通过一 个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子而首次研制出来的。 随后红外激光就得到了迅速的发展。1 线性方法产生红外激光1.1 半导体量子级联激光器双异质结体材料结构激光器的有源区的厚度薄至可与电子的德 布罗意波长30nm相比拟时，则电子在该方向的运动会受到限制，其 动能将被量子化成分立的能级，和量子力学中一维势阱情况一样，称 为量子阱激光器。量子级联激光器是一种基于子带间电子跃迁的新型 单极光源，将数个量子阱结构串联在一起。它的输出波长与有源区量 子阱厚度有关，可通过温度或电流进行调谐。它的缺点是结构复杂， 生长层次繁多，闽值电流密度大，散热性差，作为半导体激光器，输 出功率小、光束质量差1。1.2 固体激光器固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作 物质的激光器。固体激光器具有结构紧凑、小巧、牢固、灵活等优点， 特别是半导体泵浦的仝固化固体激光器很容易做到高重复频率、高峰 值功率脉冲激光输出2。1.3 自由电子激光器自由电子激光器是利用相对论电子束通过一个称为摇摆器的周 期变化的横向磁感应场来与电磁辐射相互作用产生激光的装置。由于 相对论电子束有很高的功率密度，工作介质又是自由电子，不存在击 穿问题，因此自由电子激光器能产生很高的功率。自由电子激光器输 出波长与电子束能量有关，容易连续调谐，工作的频率范围可以很宽， 从厘米波到纳米波。但自由电子激光器体积比较庞大、价格也相对比 较贵3。1.4 化学激光器化学激光器靠化学反应提供能源。它具有输出能量大和光束质量 好的优点，缺点是由于不同的旋转跃迂受激辐射相互交错层叠使输出 能量分布在比较宽的光谱范围内，还可以产生有毒的化学副产品，而 且还需要消耗费用昂贵的气体4。1.5 气体激光器气体激光器是以气体或蒸汽作为激光介质，通过放电、电子束激 励、化学激励、气动激励和光泵方式获得激光输出。2 非线性方法产生中红外激光自1961年P. A. Franken及其同事观测到红宝石激光在石英晶体 内的光倍频现象以来，各种非线性光学现象放大量地发现，非线性光 学已成为现代量子电子学领域中不断发展着的一个重要分支，同时非 线性光学器件也成为扩展已有激光波长范围的重要手段。2.1 倍频激光器倍频激光器作为非线性光学激光器中的一种，已在工程上获得了 相当广泛的运用。倍频又称为二次谐波产生，是指一束频率为e的激 光在通过非线性介质后频率加倍变成为2e,的现象这是一类典型的二 次非线性光学效应，并且。作为从长波长激光获得更短波长激光的有 效手段，受到了人们的普遍重视。利用远红外脉冲C02激光器倍频 产生35ym激光器。倍频晶体一般采用AgGaSe2。C02激光器可在 8.711.8ym波段上输出近百条谱线，在911卩m的80多条谱线都可以 用AgGase2晶体倍频，其倍频光4.55.5ym。2.2 差频激光器和光参量激光器差频激光器和光参量激光器都是利用频率下转换将可见光或近 红外光转换到中红外波段。差频和参量是和频过程的逆过程，在莠频 和参量过程中晶体中三波发生互作用，强泵浦光转变为差频光或参最 中的信号光和闲频光。此过程遵循能量守恒定理，即一个高频光子转 变为两个低频光了且有高频光子的能量等于两个低频光子之和。高相 干性的泵浦源和合适的二阶非线性晶体是实现中红外输出的两个必 要条件。目前能够用于中红外激光器的晶体有AgGaSe2与AgGaS?晶体，KTP与KTA晶体，ZnGeP2晶体，LiIO3晶体，LiNbO3晶体等。在这些233晶体中，又以LiNbO3晶体和ZnGeP?晶体作为首选晶体。LiNb03晶体 以lym左右波长的泵浦源为主，主要输出波长短于4ym的中红外激光; ZnGeP晶体对波长短于2ym的光吸收强烈，要求泵浦源波长长于2ym， 由于该晶体大的非线性吸收和优良的热传导特性使它成为高重复频 率、高功率中红外激光用中红外晶体的首选非线性工作物质。光学差 频中两束泵浦光进入晶体，在晶体中产生第三束差频光，同时参与差 频的低频泵浦光也得到增强。差频过程不需要振荡腔，也不需要光参 量过程那么高的闳值。缺点是需要两个相干性好的泵浦光源，光路复 杂6。3 小结随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能和成本 将逐渐降低，它的应用范围将继续扩大，并将会发挥出越来越巨大的 作用。参考文献1 李琦，王骐，尚铁梁.量子级联激光器的发展及其应用J.激光 与红外， 200l， 3l(2)：73-76.2 CHEN D W， FINCHER C L， ROSE T S， et a1Diode- pumped 1-W continuous-wave Er YAG 3-mm laser JOp Lett , 1999, 24( 6):385 -387 杜样琬.高技术要览一激光卷M.北京：科学技术出版社，2000.4于清旭，李红，林钧岫.基于泛频CO2激光器的微量气体光声光 谱仪J 光电子激光，2003，14(7):669-671. 程干超，张明月，杨琳等可调谐TEAC02激光在AgGaSe2中的倍 频 J.量子电子学报，1997，14(2)： 166- 169.6田文，蒋艳锋，任钢等基于差频技术产生4“n波长光波混频系 统的特性分析J光学与光电技术，2005， 3(3): 26-28.