導讀

2 μm激光位于人眼安全的波段范圍內(nèi)，它具有出色的大氣透過率和水分子吸收特性，能夠覆蓋CO2等溫室氣體的吸收峰，因此在大氣環(huán)境監(jiān)測、光通信、激光雷達、材料加工、醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應用前景。例如，在高精度手術(shù)中2 μm激光是理想的選擇，這是由于水分子對2 μm波長的吸收率極高，且對皮膚組織具有微小而精確的穿透深度，因此在實現(xiàn)組織的消融或去除時的損傷區(qū)域非常小，能有效抑制手術(shù)過程中的出血，如圖1所示。此外，單縱模運轉(zhuǎn)的全固態(tài)2 μm脈沖激光器以其高穩(wěn)定性、窄線寬和優(yōu)良的光束質(zhì)量等優(yōu)勢，成為了多普勒測風、相干差分吸收等激光雷達應用的優(yōu)質(zhì)光源，對工業(yè)、國防和科研等領(lǐng)域具有重要的意義。

本文總結(jié)了常用的2 μm固體激光增益介質(zhì)，分析了空間結(jié)構(gòu)振蕩器單縱模選擇的原理和特點，綜述了2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光的研究進展，并對不同結(jié)構(gòu)激光器的輸出特性進行了比較，最后對2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光的發(fā)展前景進行了展望。期望通過本綜述為開展中紅外激光的研究和應用人員提供參考。

圖1. 不同波長下的水吸收和組織穿透深度

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研究背景

近年來，中紅外激光技術(shù)開始展現(xiàn)出獨特的應用前景，2 μm單縱模激光器作為相干差分吸收激光雷達、多普勒測風雷達等激光雷達應用的優(yōu)質(zhì)光源，在大氣溫室氣體探測、工業(yè)以及國防等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。而2 μm的固體激光器具有能量高、穩(wěn)定性好、工作壽命長、輸出光束質(zhì)量好、波長覆蓋范圍廣的優(yōu)點，尤其適用于高能量脈沖激光領(lǐng)域。通過使用光參量振蕩等非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)或者直接泵浦摻雜Tm3+或Ho3+的增益介質(zhì)，均可以獲得2 μm固體激光輸出。然而，光參量技術(shù)中存在較為嚴重的光譜線寬展寬效應，從而難以實現(xiàn)激光單縱模輸出。所以，通常采用直接泵浦的方式獲得2 μm單縱模激光，這就需要對摻Tm3+或摻Ho3+激光器采取特殊的選模方法，如對諧振腔進行特殊設(shè)計或插入特定選模元件。

本文結(jié)合2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器在各領(lǐng)域的應用，歸納了常見2 μm固體激光增益介質(zhì)光譜特性，綜述了2 μm全固態(tài)脈沖環(huán)形腔激光技術(shù)、扭轉(zhuǎn)模腔激光技術(shù)、VBG激光技術(shù)、種子注入激光技術(shù)的研究進展，總結(jié)分析了各種技術(shù)的輸出特性，并對2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器的未來發(fā)展作了展望。

主要內(nèi)容

2 μm固體激光增益介質(zhì)

激光增益介質(zhì)的理化性質(zhì)由基質(zhì)材料決定，光譜特性則主要由摻雜的激活離子決定。Tm3+和Ho3+激活離子的發(fā)射波長均在2 μm附近，屬于準三能級系統(tǒng)。目前，2 μm固體激光器常用的增益介質(zhì)主要有Tm:YAG、Tm:YAP、Tm:YLF、Ho:YAG、Ho:YLF等，具體參數(shù)見表1。其中，Tm3+摻雜晶體的吸收波長與GaAlAs半導體激光器的工作波長相匹配，且發(fā)射波長在1.8~2.1 μm間可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧，但其發(fā)射截面較小、上能級壽命較短。與之相比，Ho3+摻雜晶體發(fā)射截面較大、熒光壽命較長，易實現(xiàn)高脈沖能量2.1 μm激光輸出，但是缺少成熟的商用半導體激光器，常用摻Tm3+激光器泵浦。

表1. 常見2 μm固體激光增益介質(zhì)光譜特性

固體激光單縱模選擇方法

目前針對固體激光器的單縱模選擇技術(shù)主要包括環(huán)形腔法、扭轉(zhuǎn)模腔法、體布拉格光柵法（VBG）和種子注入法等，部分結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。由于腔內(nèi)駐波場引起的空間燒孔效應，光強在空間中分布不均勻，激光器會輸出多縱模激光。為了消除空間燒孔效應，通常在諧振腔內(nèi)加入隔離器等單向選通元件，諧振腔一般采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，可以保證振蕩器穩(wěn)定的單向運轉(zhuǎn)，即形成行波諧振腔，從而實現(xiàn)激光單縱模輸出。扭轉(zhuǎn)模腔法同樣是消除空間燒孔效應的常用方法，其主要是利用兩個快軸相互垂直的波片與偏振片相結(jié)合，進而使增益介質(zhì)中的光場不再處于駐波模式，達到單縱模運轉(zhuǎn)的目的。VBG是一種常用的光譜濾波元件,有著良好的角度選擇性和波長選擇性，任何不符合布拉格條件的角度或波長變化都將導致其衍射效率的顯著下降、腔內(nèi)損耗增加，從而使特定波長在腔內(nèi)振蕩、實現(xiàn)縱模的選擇。種子注入技術(shù)是將穩(wěn)定的單縱模種子激光注入到從屬激光器中進行選模和放大的技術(shù)，其基本原理為將單縱模種子激光注入諧振腔中，并通過壓電陶瓷換能器等器件控制諧振腔長度變化。由于注入的種子光比腔內(nèi)自由振蕩光更具優(yōu)勢，因此從腔中與種子光頻率最接近的模式會優(yōu)先起振。當檢測到諧振腔內(nèi)種子光和振蕩光諧振匹配時，Q開關(guān)工作，從而輸出窄線寬、高能量的單縱模脈沖激光。

圖2. 環(huán)形腔與扭轉(zhuǎn)模腔單縱模固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器研究進展

近年來，基于單向環(huán)形腔的2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器研究主要集中在美國蘭利研究中心、哈爾濱工業(yè)大學等單位，其特點是腔形設(shè)計靈活，可以在較寬的波長范圍內(nèi)獲得較高的輸出功率，但其結(jié)構(gòu)復雜且光路元件較多，較多的反射鏡也會造成一定的激光能量損耗。扭轉(zhuǎn)模腔全固態(tài)激光器以其簡單的結(jié)構(gòu)、較低的閾值電壓，較高的單縱模率及較好的頻率穩(wěn)定性，已經(jīng)成為一種良好的單縱模選擇方案。但是該方案對腔內(nèi)偏振態(tài)的變化十分敏感，因此，受到增益介質(zhì)熱致雙折射等因素的影響，激光器的單縱模率和高功率輸出受到了一定的限制。環(huán)形腔與扭轉(zhuǎn)模腔2 μm單縱模固體脈沖激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示。反射式和透射式VBG都可以用于模式選擇，使用具有高衍射效率的體布拉格光柵可以實現(xiàn)在特定波長處的高反射/透射率，將輸出波長鎖定并壓縮線寬。此外，可以通過光柵周期的橫向啁啾實現(xiàn)可調(diào)諧波長輸出。目前，西北大學、哈爾濱工業(yè)大學以及法國薩克雷大學等單位都報道過基于體布拉格光柵的2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器，然而，體布拉格光柵法的缺點也很明顯，比如光柵孔徑難以做大、損傷閾值較低，價格較高等。

圖3. 環(huán)形腔與扭轉(zhuǎn)模腔2 μm單縱模固體脈沖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

常見的種子注入技術(shù)有掃描-觸發(fā)技術(shù)（ramp-fire）、掃描-保持-觸發(fā)技術(shù)（ramp-hold-fire）等，部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。基于種子注入法的2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器的報道是最多的，由此可以看出種子注入法的巨大優(yōu)勢。但種子注入的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)比較復雜，因此應當根據(jù)實際使用情況選擇合適的種子源和種子注入技術(shù)。

圖4. 幾種種子注入結(jié)構(gòu)的2μm單縱模固體脈沖激光器示意圖

結(jié)論與展望

近年來，激光泵浦、單縱模選擇以及高能量激光脈沖等技術(shù)都取得了顯著的進步，使得2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光器正快速發(fā)展向高穩(wěn)定性、高效率、窄線寬和大能量的方向。目前，已經(jīng)可以通過環(huán)形腔法實現(xiàn)焦耳量級的單脈沖能量，通過體布拉格光柵法實現(xiàn)百kHz的重復頻率，以及通過種子注入法實現(xiàn)亞MHz量級的線寬。然而，在當前2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光技術(shù)發(fā)展的過程中，仍存在一些問題亟待解決，如激光器裝置龐大復雜，脈沖激光器的輸出脈沖寬度較寬，以及較大的熱效應等，這些問題制約了其進一步應用。針對此，國內(nèi)外科研人員陸續(xù)開展了一些相關(guān)技術(shù)的研究，例如利用具有緊湊結(jié)構(gòu)的碟片激光器，可以在更大的散熱面積、更小的實驗裝置上實現(xiàn)高能量激光輸出；或者采用受激布里淵散射技術(shù)，在保持激光高能量單縱模的前提下獲得更窄的脈寬；抑或是采用有效的熱管理方法來減弱熱效應，如使用液冷薄片激光器結(jié)構(gòu)、將液態(tài)金屬作為熱接觸材料、探索具有高熱穩(wěn)定性的新基質(zhì)材料、均勻化泵浦光強；以及，當單一選模技術(shù)無法有效實現(xiàn)單縱模輸出時，可以采用多種縱模選擇技術(shù)結(jié)合的方式進行縱模選取。

相信在不久的未來，在日益增長的應用需求推動下，隨著縱模選擇、脈寬壓縮、熱管理等技術(shù)的不斷發(fā)展以及對新型增益介質(zhì)和激光器結(jié)構(gòu)的不斷探索，2 μm單縱模全固態(tài)脈沖激光技術(shù)將在更廣闊的領(lǐng)域中實現(xiàn)更高的應用價值。

審核編輯：劉清