中红外激光光源

2021-03-03 15:05:02 浏览:338

定义

辐射类似于激光光束的中红外光的光源。

本词条描述的是辐射类似于激光光束的中红外光的光源。这些光源通常包含一个中红外激光器或者更短波长的激光器和非线性频率转换的器件。中红外光谱区域包括从3μm 到8μm 的波长。有些人认为中红外区域包含更短的波长,例如从2μm 开始,因此极大的拓宽了中红外光源。

中红外光源的典型应用包括气体光谱学和军事上飞机干扰红外线循迹武器。

量子级联激光器

量子级联激光器是半导体激光器领域中进来发展较快的激光器。早先的中红外半导体激光器利用的是带间跃迁原理,而量子级联激光器采用的是子带间跃迁。通过改变半导体多层结构,跃迁的光子能量(波长)可在较大范围内变化。即使结构固定,若采用外腔器件波长调谐的范围也可以很大(有时调谐量大于中心波长的10%)。

很多量子级联激光器可以工作在室温下,甚至是连续工作,尽管其最佳工作环境是在低温冷却下。这种激光器可以产生脉冲长度远小于1ns的短脉冲,然而峰值功率非常有限。

铅盐激光器

在量子级联激光器发展之前,主要是由各种类型的铅盐激光器得到中红外光谱中大部分波长的光。它们通常采用三元铅化合物,例如PbxSn1−xTe或者四元化合物PbxEu1−xSeyTe1−y。决定辐射波长的带隙能量很小,低于0.5eV。

铅盐激光器需要在低温下工作(通常低于200K,尤其是波长更长时)。它们产生的光功率较低(通常在1mW量级),并且与短波长激光二极管相比,它们的电光转换效率很低。通过改变器件温度,通常可以得到几个纳米的波长调谐范围。

掺杂绝缘激光器

只有少数种类的掺杂绝缘固态激光器可以辐射中红外光谱区域的光。例如:

1、Cr2+:ZnSe(掺铬硒化锌)激光器(以及其它采用类似材料的激光器)可以辐射将近3.5μm波长的光。它们可以在很大范围内调谐,并且输出功率可达几百毫瓦。
2、Fe2+:ZnSe激光器可以辐射3.7-5.1μm的光。
3、基于掺铒光纤或者掺钬的氟化物光纤的光纤激光器可以辐射3μm波长的光。

选取激光器晶体和玻璃需要具有较低光子能量的材料,否则激光跃迁会由于多光子跃迁的存在而发生淬灭。

气体和化学激光器

只有很少的气体激光器会辐射中红外波长的光。例如氦氖激光器辐射波长为3.391μm。

氟化氘化学激光器辐射波长在3.8μm附近。它们通常用于军事用途。

基于差频产生原理的光源

利用非线性晶体中的差频产生(difference frequency generation, DFG)过程可以得到很大范围的中红外光,信号光为两个近红外光束。例如,可以采用1064 nm的Nd:YAG 激光器和波长可调谐的1.5μm掺铒光纤激光器,然后将二者的输出光在周期性极化的铌酸锂(LiNbO3)晶体中混合。当光纤激光器调谐到1530nm和1580nm之间时,中红外输出光波长范围在3258nm和3993nm之间。(该范围与光纤激光器的变化范围相对应,但是长波长时需要激光器具有更大的波长变化。)

对于连续光工作的激光器,非线性转化效率较低,并且产生的输出功率通常低于1mW, 然而该功率足够用于光谱学中。采用脉冲光束(例如调Q激光器),可以得到高很多的输出功率,当然这也需要两激光更精确的混合。

近年来,已经可以制备定向砷化镓晶体(GaAs),因此可以实现差频产生中的准相位匹配得到很宽的输出波长范围。

光参量振荡器,放大器和发生器

另一种非线性频率转换是先采用一个近红外激光器来泵浦光参量振荡器(OPO),放大器(OPA)或者发生器(OPG)。产生的闲散光就位于中红外光谱区域。例如:

1、锁模的1064nm皮秒Nd:YVO4激光器可通过晶体泵浦OPO,输出的闲散光波长为4 μm甚至4.5 μm,受限于当波长边长时闲散光的吸收也变大。这种OPO通常具有一个共振的信号波长,在该处闲散光之间在非线性晶体后耦合出去。

2、调Q激光器通常用来泵浦纳秒OPO得到中红外光。常用的晶体材料为磷化锌锗(ZGeP, ZnGeP2),硫镓银和硒镓银(AgGaS2, AgGaSe2),硒化镓(GaSe)和硒化镉(CdSe)。由于这些材料在1μm区域都不是透明的,通常需要采用串联OPO:第一个OPO将1μm的激光转化成更长的波长,通常用来泵浦中红外OPO。信号光和闲散光都在中红外区域。

这一器件很容易得到能量为几十毫焦的脉冲。输出波长可在几百纳米范围内调谐。

其它光源

其它一些不常用的中红外光源为:

1、自由电子激光器
2、倍频CO2激光器

参考文献

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参阅:红外光、量子级联激光器、非线性频率转换、和频产生、差频产生、光谱学、光子器件

非线性光学

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