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什么是“中紅外激光光源”?
來源(yuan): 閱讀(du):658 發布時間:2021-05-12 11:10:01
什么是“中紅外激光光源”?

中(zhong)紅(hong)外(wai)激光(guang)光(guang)源是輻射類(lei)似(si)于激光(guang)光(guang)束的中(zhong)紅(hong)外(wai)光(guang)的光(guang)源。這(zhe)些光(guang)源通常包含一(yi)個中(zhong)紅(hong)外(wai)激光(guang)器(qi)或者更短波長的激光(guang)器(qi)和非線性(xing)頻率轉換的器(qi)件。

中(zhong)紅(hong)(hong)外光譜(pu)區域包括從(cong)3μm 到8μm 的波長(chang)。有些人認為中(zhong)紅(hong)(hong)外區域包含更(geng)短的波長(chang),例(li)如從(cong)2μm 開始,因此大(da)大(da)的拓(tuo)寬了中(zhong)紅(hong)(hong)外光源。中(zhong)紅(hong)(hong)外光源的典型應用包括氣體(ti)光譜(pu)學和軍事上飛機干擾紅(hong)(hong)外線循(xun)跡武器。
量子級聯激光器
量子級(ji)聯(lian)激(ji)光器是(shi)半導體激(ji)光器領域中進來(lai)發(fa)展(zhan)較快(kuai)的(de)(de)激(ji)光器。早先的(de)(de)中紅外半導體激(ji)光器利用的(de)(de)是(shi)帶間躍遷原理(li),而量子級(ji)聯(lian)激(ji)光器采用的(de)(de)是(shi)子帶間躍遷。

通(tong)過改變半導體多層(ceng)結構(gou)(gou),躍遷的光子能量(波長)可(ke)在較大(da)(da)范(fan)(fan)圍內變化。即使結構(gou)(gou)固(gu)定,若采用外腔器(qi)件波長調(diao)諧的范(fan)(fan)圍也可(ke)以很大(da)(da)(有時(shi)調(diao)諧量大(da)(da)于中心波長的10%)。

很多(duo)量子級聯激光(guang)器可(ke)以工作(zuo)在(zai)室溫下(xia),甚至是連續工作(zuo),盡管其較佳(jia)工作(zuo)環境(jing)是在(zai)低溫冷(leng)卻下(xia)。這種激光(guang)器可(ke)以產生(sheng)脈(mo)沖(chong)長度遠小于1ns的短脈(mo)沖(chong),然而峰值功(gong)率非(fei)常有限。

鉛鹽激光器
在量子級聯激光器發(fa)展之前,主要是由(you)各種類型(xing)的鉛鹽激光器得(de)到中紅外(wai)光譜中大部分波(bo)長(chang)的光。它們(men)通常采用三(san)元鉛化合物,例如PbxSn1−xTe或者四(si)元化合物PbxEu1−xSeyTe1−y。決定(ding)輻射波(bo)長(chang)的帶(dai)隙能量很小,低于0.5eV。

鉛鹽激光(guang)器(qi)(qi)需要在低溫(wen)下工作(通常低于200K,尤其是(shi)波(bo)(bo)長(chang)更長(chang)時)。它們(men)產(chan)生的光(guang)功率較低(通常在1mW量級),并且與短(duan)波(bo)(bo)長(chang)激光(guang)二極管相比,它們(men)的電光(guang)轉換效率很低。通過改變(bian)器(qi)(qi)件溫(wen)度(du),通常可以得到幾個納(na)米的波(bo)(bo)長(chang)調(diao)諧范圍。

摻雜絕緣激光器
只有少數種類(lei)的(de)摻雜絕緣固(gu)態激光(guang)器可以輻射中紅外(wai)光(guang)譜(pu)區域的(de)光(guang)。例如(ru):
Cr2+:ZnSe(摻鉻硒化鋅)激光(guang)器(qi)(以及其它(ta)采用類似材(cai)料的激光(guang)器(qi))可(ke)以輻射將近(jin)3.5μm波長的光(guang)。它(ta)們可(ke)以在(zai)很大范圍(wei)內調諧,并且輸(shu)出(chu)功率可(ke)達幾百毫瓦。
Fe2+:ZnSe激光(guang)器可以輻射3.7-5.1μm的光(guang)。
基于(yu)摻(chan)鉺(er)光(guang)纖或者摻(chan)鈥(huo)的(de)氟化物光(guang)纖的(de)光(guang)纖激光(guang)器可(ke)以輻(fu)射3μm波長的(de)光(guang)。
選取激(ji)光(guang)器(qi)晶體(ti)和(he)玻(bo)璃需要具有較低光(guang)子能量的材(cai)料,否則激(ji)光(guang)躍(yue)遷(qian)會由于多光(guang)子躍(yue)遷(qian)的存在而發(fa)生(sheng)淬滅。

氣體和化學激光器
只有很少的氣體(ti)激光器(qi)會輻射中紅外波長(chang)的光。例(li)如氦氖激光器(qi)輻射波長(chang)為(wei)3.391μm。
氟化(hua)氘化(hua)學(xue)激(ji)光器輻射(she)波長在3.8μm附近(jin)。它(ta)們通常用于軍事用途。
基于差頻產生原理的光源
利用非線(xian)性(xing)晶(jing)體中的差頻產生(difference frequency generation, DFG)過程可以得(de)到很大范圍的中紅外(wai)光(guang)(guang),信號(hao)光(guang)(guang)為兩(liang)個近紅外(wai)光(guang)(guang)束(shu)。例如(ru),可以采(cai)用1064 nm的Nd:YAG 激(ji)光(guang)(guang)器和波(bo)長可調諧的1.5μm摻鉺光(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)器,然后將(jiang)二者(zhe)的輸出(chu)光(guang)(guang)在(zai)周(zhou)期性(xing)極化的鈮酸(suan)鋰(LiNbO3)晶(jing)體中混合。
當光纖激光器調諧到1530nm和1580nm之間(jian)時,中紅外輸出(chu)光波長范圍在3258nm和3993nm之間(jian)。(該(gai)范圍與光纖激光器的變化范圍相(xiang)對應,但是長波長時需要激光器具(ju)有更大(da)的波長變化。)
對于(yu)連續光(guang)工(gong)作的激(ji)(ji)光(guang)器,非(fei)線性轉化效率較(jiao)低,并且(qie)產生的輸出功率通(tong)常低于(yu)1 mW, 然(ran)而該功率足(zu)夠(gou)用(yong)于(yu)光(guang)譜學(xue)中(zhong)。采用(yong)脈沖光(guang)束(例如(ru)調Q激(ji)(ji)光(guang)器),可以得到高很多的輸出功率,當(dang)然(ran)這也需要兩激(ji)(ji)光(guang)更準確的混合。
近(jin)年來,已經可以制備定向砷化鎵晶體(GaAs),因此可以實現差(cha)頻產(chan)生(sheng)中(zhong)的(de)準相位匹配得到很(hen)寬的(de)輸出波長(chang)范圍。

光參量振蕩器,放大器和發生器
另一種非(fei)線性頻率轉(zhuan)換是先(xian)采用一個近(jin)紅外激光(guang)器(qi)來泵(beng)浦光(guang)參量振蕩器(qi)(OPO),放大器(qi)(OPA)或者發生(sheng)器(qi)(OPG)。產生(sheng)的閑散光(guang)就位(wei)于中(zhong)紅外光(guang)譜區域。例(li)如:

鎖模的1064nm皮秒Nd:YVO4激(ji)光(guang)(guang)(guang)器可通過(guo)晶體泵浦OPO,輸出的閑(xian)散(san)(san)光(guang)(guang)(guang)波(bo)長(chang)(chang)為4 μm甚至4.5 μm,受限于(yu)當波(bo)長(chang)(chang)邊長(chang)(chang)時閑(xian)散(san)(san)光(guang)(guang)(guang)的吸收也變大(da)。這種(zhong)OPO通常具有(you)一(yi)個共振的信號波(bo)長(chang)(chang),在(zai)該(gai)處閑(xian)散(san)(san)光(guang)(guang)(guang)之間(jian)在(zai)非線性(xing)晶體后(hou)耦合(he)出去。

調Q激光(guang)器通(tong)(tong)常(chang)用(yong)(yong)來(lai)泵(beng)浦(pu)納秒(miao)OPO得到中紅(hong)外光(guang)。常(chang)用(yong)(yong)的晶體材料(liao)為(wei)磷(lin)化(hua)鋅鍺(ZGeP, ZnGeP2),硫鎵銀(yin)和(he)(he)硒(xi)鎵銀(yin)(AgGaS2, AgGaSe2),硒(xi)化(hua)鎵(GaSe)和(he)(he)硒(xi)化(hua)鎘(CdSe)。由于這些材料(liao)在1μm區(qu)(qu)域都(dou)不是透明的,通(tong)(tong)常(chang)需要采(cai)用(yong)(yong)串聯(lian)OPO:第一個(ge)OPO將1μm的激光(guang)轉化(hua)成更長的波長,通(tong)(tong)常(chang)用(yong)(yong)來(lai)泵(beng)浦(pu)中紅(hong)外OPO。信號光(guang)和(he)(he)閑(xian)散(san)光(guang)都(dou)在中紅(hong)外區(qu)(qu)域。

這一器件很容易得(de)到(dao)能量為幾十毫(hao)焦的(de)脈沖(chong)。輸出波長可(ke)在幾百納米范圍內調(diao)諧(xie)。

其它光源
其它一些不常用的中紅(hong)外光(guang)源為(wei):

自由電子激光器

倍頻CO2激光器

(來(lai)源(yuan):網絡,版權歸原作者)