用于光電對抗的高重頻中紅外激光器綜述

劉曉旭，韓聚洪，蔡 和，楊 峰，榮克鵬，安國斐，王 浟

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

中紅外激光的波長位于3μm～5μm范圍內(nèi)，正好位于大氣的傳輸窗口，在大氣環(huán)境中傳輸時其能量衰減較小。因此，中紅外激光在遙感、大氣監(jiān)控、環(huán)境保護(hù)、激光制導(dǎo)、光電對抗等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。另外，由于中紅外波段存在著眾多的分子特征吸收譜線，可廣泛應(yīng)用于氣體檢測和光譜分析等領(lǐng)域。近年，中紅外激光正在逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。

中紅外激光器可以工作在連續(xù)或脈沖模式。通常，激光器輸出脈沖的重頻大于1kHz時，可將其稱為高重頻激光器。光電對抗系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成部分就包含了高重頻中紅外激光器，而提高高重頻中紅外激光器的性能就能夠直接增強光電對抗系統(tǒng)的效能。在定向紅外對抗中，大多數(shù)紅外導(dǎo)引頭都針對目標(biāo)實施了時域調(diào)制。為了應(yīng)對這一措施，干擾用激光器必須以脈沖方式工作，其脈沖重頻的范圍大約是20kHz～50kHz[1]；激光雷達(dá)采用了高重頻、大動態(tài)范圍、相干激光測距和測速技術(shù)[2]；光子計數(shù)激光測距通常采用低能量、高重頻激光器，最后通過統(tǒng)計分析得到距離信息，這樣能夠達(dá)到消除噪聲影響、抑制虛警概率和提高測距精度的目的[3]。

本文中主要介紹了3類高重頻中紅外激光器：直接抽運式高重頻中紅外固體激光器、高重頻中紅外光纖激光器和高重頻中紅外光參量振蕩器，討論了這3類激光器的相應(yīng)研究進(jìn)展，也對主要相關(guān)技術(shù)中所存在的問題和中紅外激光器未來的發(fā)展方向進(jìn)行了分析和展望。

1 直接抽運式高重頻中紅外固體激光器

目前，直接抽運式中紅外固體激光器的增益介質(zhì)主要是Fe2+離子摻雜的ZnS，ZnSe，ZnTe和CdSe等晶體，其中，對Fe2+∶ZnSe晶體的研究最為深入。因為Fe2+∶ZnSe晶體具有較寬的吸收帶寬，能夠輸出波長調(diào)諧范圍較寬、光束質(zhì)量較好的中紅外激光，所以長期以來都是中紅外激光研究的焦點。由于Fe2+∶ZnSe中紅外激光器的抽運源激光的重頻一般受到很大的限制，所以高重頻抽運源激光器的報道相對較少，這直接導(dǎo)致了Fe2+∶ZnSe中紅外激光器的重頻通常小于0.1kHz。在研究初期，F(xiàn)e2+∶ZnSe激光器只能在低溫下運行。近年，受益于抽運源和相關(guān)新技術(shù)的飛速發(fā)展，F(xiàn)e2+∶ZnSe激光器已經(jīng)能夠工作在相對較高的溫度甚至是室溫。

1999年，美國利弗莫爾實驗室的ADAMS等人利用波長2.698μm的Er∶YAG激光器在低溫(15K～18K)條件下抽運Fe2+∶ZnSe晶體，首次實現(xiàn)了波長調(diào)諧范圍為3.98μm～4.54μm的激光輸出，脈沖重頻達(dá)到了100Hz[4]。2005年，美國阿拉巴馬大學(xué)的KERNAL等人利用調(diào)QNd∶YAG激光器抽運Fe2+∶ZnSe晶體，首次實現(xiàn)了室溫條件下的激光輸出，激光脈沖頻率為10Hz，波長調(diào)諧范圍為3.9μm～4.8μm[5]。2006年，美國阿拉巴馬大學(xué)的AKIMOV等人利用Er∶YAG激光器輸出波長2.9364μm的巨脈沖，抽運Fe2+∶ZnSe晶體得到了有效的室溫激光輸出，激光脈沖的重頻為60Hz，脈沖寬度為100ns，波長在3.95μm～5.05μm之間連續(xù)可調(diào)諧[6]。2014年，美國空軍實驗室的EVANS等人利用波長2936nm的Er∶YAG激光器雙端抽運Fe2+∶ZnSe晶體，使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirrors,SESAM)作為調(diào)Q元件，在低溫條件下輸出了波長為4045nm的激光，脈沖寬度為64ns，脈沖重頻約為0.85MHz[7]。2015年，IPG公司的MARTYSHKIN等人報道了在當(dāng)時具有最高平均功率(35W)的Fe2+∶ZnSe激光器。溫度在77K時，波長調(diào)諧范圍是3.88μm～4.17μm，脈沖重頻為100Hz，脈沖寬度為150μs，實驗裝置如圖1所示[8]。

圖1 波長可調(diào)諧的摻Fe2+∶ZnSe 激光器的光路圖[8]

國內(nèi)對Fe2+∶ZnSe中紅外激光器的研究開展時間較短，迄今為止，只有幾家機構(gòu)報道了相關(guān)研究結(jié)果?？偟膩碚f，國內(nèi)關(guān)于Fe2+∶ZnSe中紅外激光器的研究仍處于較為初級的階段。2014年，華北光電技術(shù)研究所的XIA等人采用熱擴散摻雜技術(shù)制備了Fe2+∶ZnSe晶體，利用波長為2.9μm，脈沖重頻為1kHz的中紅外激光器抽運Fe2+∶ZnSe晶體，室溫輸出了中心波長為4.45μm，脈沖寬度為25ns，平均功率為67mW的中紅外激光[9]。2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的YAO等人采用波長為2.89μm，脈沖重頻為1kHz的磷鍺鋅(ZnGeP2,ZGP)光學(xué)參量振蕩器(optical parametric oscillator,OPO)抽運Fe2+∶ZnSe晶體,當(dāng)抽運功率為1.43W時，獲得激光的平均功率為53mW，脈沖寬度為25ns，激光的中心波長為4.45μm，范圍為4.33μm～4.61μm[10]。同年，中國科學(xué)院電子所的KE等人采用波長為2.6μm～3.1μm，脈沖寬度為180ns的非鏈?zhǔn)矫}沖HF激光器抽運Fe2+∶ZnSe晶體，室溫實現(xiàn)了單脈沖能量為15mJ的激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%[11]。

2 高重頻中紅外光纖激光器

中紅外光纖材料的聲子能量較低，中紅外光在其中的傳輸損耗較小。目前，常用的中紅外光纖為氟化物光纖和硫化物光纖。氟化物光纖ZBLAN的性質(zhì)穩(wěn)定，并得到了廣泛使用，其成分包括0.53ZrF4，0.20BaF2，0.04LaF3，0.03AlF3和0.20NaF(數(shù)值為摩爾分?jǐn)?shù))。利用摻雜Tm3+，Ho3+，Er3+等離子的氟化物光纖，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長為2μm～3μm的激光輸出。目前，波長為3μm的高重頻光纖激光器主要使用摻Er3+∶ZBLAN和摻Ho3+∶ZBLAN作為增益介質(zhì)，按照工作方式分為調(diào)Q和鎖模光纖激光器兩種類型。

2.1 調(diào)Q光纖激光器

2.1.1 主動調(diào)Q1994年，德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的FRERICHS等人首次報道了摻Er3+∶ZBLAN光纖激光器在3μm波段調(diào)Q輸出了波長為2.7μm的激光，脈沖寬度為100ns，重頻達(dá)到10kHz[12]。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的COLEMAN等人利用波長為972nm的LD抽運Er3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖輸出了波長為2.7μm的激光，脈沖寬度為250ns，重頻為19.5kHz[13]。2011年，日本京都大學(xué)的TOKITA等人利用波長為975nm的LD抽運摻Er3+∶ZBLAN光纖，調(diào)Q輸出了波長為2.8μm的激光，激光脈沖寬度為90ns，重頻為120kHz，平均功率為12W[14]。2012年，澳大利亞悉尼大學(xué)的HU等人利用波長為1150nm的LD抽運源Ho3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖，調(diào)Q輸出了波長為2.867μm的激光，激光脈沖寬度為78ns，重頻為40kHz～300kHz，最大平均功率為0.72W，實驗裝置如圖2所示[15]。2015年，德國LISA激光公司的LAMRINI等人利用摻Ho3+∶ZBLAN光纖，調(diào)Q輸出波長為2.79μm的激光，激光脈沖寬度為53ns，重頻為1kHz，平均功率為0.56W[16]。

圖2 調(diào)Q摻Ho3+/Pr3+光纖激光器[15]

2012年，國內(nèi)的電子科技大學(xué)的LI等人利用波長為1150nm的LD抽運摻Ho3+∶ZBLAN光纖，調(diào)Q輸出波長為3.005μm和2.074μm兩個波長的激光，對應(yīng)激光脈寬分別為380ns和260ns，重頻都為25kHz[17];2013年，他們調(diào)Q實現(xiàn)了波長為2.97μm～3.015μm激光的調(diào)諧輸出，激光脈沖寬度為300ns～410ns，重頻為40kHz，實驗裝置如圖3所示[18]。

圖3 主動調(diào)Q摻Ho3+∶ZBLAN光纖激光器[18]

2.1.2 被動調(diào)Q1996年，德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的FRERICHS等人報道了利用InAs外延層作為可飽和吸收體，以被動調(diào)Q和鎖模的方式工作，輸出激光波長為2.7μm的摻Er3+∶ZBLAN光纖激光[19]。2012年，美國亞利桑那大學(xué)的WEI等人利用LD抽運摻Er3+∶ZBLAN單模光纖，使用摻Fe2+∶ZnSe晶體被動調(diào)Q，輸出激光波長為2.8μm，單脈沖能量為2.0μJ，脈沖寬度為0.37μs，對應(yīng)的峰值功率為5.34W，重頻達(dá)到了0.161MHz[20];2013年，他們又利用LD抽運摻雜長度為10m的Er3+∶ZBLAN光纖，石墨烯被動調(diào)Q，輸出激光波長為2.78μm，單脈沖能量為1.67μJ，脈沖寬度為2.9μs，脈沖重頻為37kHz；當(dāng)光纖長度縮短到2m時，脈沖寬度減小為1μs[21]。2013年，美國亞利桑那大學(xué)的ZHU等人利用波長1.15μm的光纖激光器抽運摻Ho3+∶ZBLAN光纖，實現(xiàn)了被動調(diào)Q的激光輸出，摻Fe2+∶ZnSe晶體和石墨烯作為可飽和吸收體，分別對應(yīng)的輸出波長為2.93μm和3μm，脈沖寬度分別為0.82μs和1.2μs，重頻分別為105kHz和100kHz，圖4所示為實驗裝置[22]。

圖4 被動調(diào)Q摻Ho3+∶ZBLAN光纖激光器[22]

2014年～2015年，電子科技大學(xué)的LI等人利用波長為1.15μm的LD抽運摻Ho3+∶ZBLAN光纖，分別用SESAM、Bi2Te3晶體和摻Fe2+∶ZnSe晶體作為被動調(diào)Q元件，輸出激光波分別長為2.971μm，2.9799μm和2.9191μm～3.0042μm，脈沖寬度分別為1.68μs，1.37μs和1.23μs～2.35μs，脈沖重頻分別為47.6kHz，81.96kHz和96.1kHz～43.56kHz[23-25]。2015年，上海交通大學(xué)的QIN等人第1次報道了采用黑磷(black phosphorus,BP)作為可飽和吸收體，實現(xiàn)波長為2.8μm調(diào)Q運行的光纖激光器。光纖激光器輸出最大平均功率為485mW，對應(yīng)單脈沖能量為7.7μJ，脈沖寬度為1.18μs，脈沖重頻為63kHz[26]。2016年，四川大學(xué)、深圳大學(xué)和中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所的研究人員利用LD抽運摻Er3+∶ZBLAN光纖，分別使用摻Fe2+∶ZnSe晶體、Bi2Te3晶體和SESAM作為調(diào)Q元件，輸出激光波長都在2.8μm左右，單脈沖能量為幾個微焦，脈沖寬度為幾百納秒，重頻分別為102.94kHz，50kHz和146.3kHz[27-29]。同年，電子科技大學(xué)的WEI等人首次報道了WS2薄膜作為可飽和吸收體，利用LD抽運Ho3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖，輸出激光波長為2.8657μm，激光平均功率為48.4mW，單脈沖能量為0.37μJ，脈沖寬度為1.73μs，脈沖重頻為131.6kHz[30]。2018年，電子科技大學(xué)的LAI等人利用波長為976nm的LD抽運摻Er3+∶ZBLAN光纖，SESAM被動調(diào)Q輸出激光波長為2.7988μm，最大平均功率為3.01W，單脈沖能量為10.82μJ，脈沖寬度為0.45μs，脈沖重頻為278.5kHz，圖5所示為實驗裝置[31]。

圖5 被動調(diào)Q摻Er3+∶ZBLAN光纖激光器[31]

2.2 鎖模光纖激光器

2012年，美國亞利桑那大學(xué)的WEI等人利用LD抽運摻Er3+∶ZBLAN光纖，摻Fe2+∶ZnSe晶體被動鎖模，輸出激光波長為2.8μm，平均功率為51mW，脈沖寬度為19ps，脈沖重頻為50MHz[32]。2014年～2016年，加拿大拉瓦爾大學(xué)的HABOUCHA等人和DUVAL等人、澳大利亞悉尼大學(xué)的HU等人、美國亞利桑那大學(xué)的ZHU等人分別利用LD抽運摻Er3+∶ZBLAN光纖，輸出激光波長為2.8μm左右，脈沖寬度分別為60ps，0.207ps，0.497ps和42ps，脈沖重頻分別達(dá)到51.75MHz，55.2MHz，56.7MHz和25.4MHz[33-36]。圖6所示為美國亞利桑那大學(xué)的ZHU等人的實驗裝置。

圖6 石墨烯鎖模摻Er3+∶ZBLAN光纖激光器[36]

2012年和2016年，電子科技大學(xué)的LI等人、國防科技大學(xué)的YIN等人分別利用LD抽運共摻Ho3+/Pr3+∶ZBLAN光纖，SESAM、Bi2Te3納米片可飽和吸收體鎖模輸出激光，波長位于2.87μm和2.83μm，平均功率為132mW和90mW，單脈沖能量為4.9nJ和8.6nJ，脈沖寬度為24ps和6ps，脈沖重頻為27.1MHz和10.4MHz[37-38]。2015年，湖南大學(xué)的TANG等人設(shè)計了基于SESAM的摻Er3+∶ZBLAN鎖模光纖激光器，輸出激光波長為2.8μm，最高平均功率超過1W，脈沖寬度為25ps，脈沖重頻達(dá)到22.56MHz[39]。2016年和2018年，上海交通大學(xué)的QIN等人利用基于BP可飽和吸收體的摻Er3+∶ZBLAN鎖模光纖激光器，輸出激光波長為2.8μm和3.489μm，平均功率為613mW和40mW，脈沖重頻為24MHz和28.91MHz[40-41]，圖7所示為相應(yīng)的實驗裝置[41]。

圖7 黑磷調(diào)Q和鎖模摻Er∶ZBLAN光纖激光器[41]

3 高重頻中紅外光參量振蕩器

晶體中發(fā)生的光學(xué)參量振蕩是一種非線性過程，借此短波激光可以被變換到中紅外波段。中紅外OPO所使用的非線性晶體主要包括磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4,KTP)、硒鎵銀(AgGaSe2)、磷鍺鋅(ZnGeP2,ZGP)、周期性極化鈮酸鋰(periodically poled lithium niobate,PPLN)等。其中，PPLN和ZGP晶體使用最為廣泛。PPLN的特點是具有較高的非線性系數(shù)，并且性質(zhì)很穩(wěn)定，通過摻雜MgO可提高PPLN的光折變損傷閾值，這使得PPLN成為一種較為理想的非線性晶體。利用這些有利條件，滿足準(zhǔn)相位匹配(quasi-phase-matching,QPM)條件的PPLN OPO就能夠高效地輸出中紅外激光。通過調(diào)節(jié)MgO摻雜PPLN(MgO-doped PPLN,MgO∶PPLN)晶體的溫度和極化周期，可以實現(xiàn)中紅外全波段的可調(diào)諧輸出。ZGP的特點是具有良好的導(dǎo)熱性，非線性系數(shù)較大，且制備工藝成熟。高功率輸出的中紅外OPO可以采用波長2μm的脈沖激光抽運ZGP得到。近年來，研究人員采用摻銩光纖激光器直接抽運ZGP輸出中紅外激光，有效地提高了激光器的穩(wěn)定性，并同時簡化了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

3.1 PPLN OPO

2010年，西班牙光子科學(xué)研究所的KOKABEE等人利用摻鐿光纖激光器抽運MgO∶PPLN晶體，在抽運功率為16W時獲得了波長為1.47μm、功率為7.1W的信號光和波長為3.08μm、功率為4.9W的閑頻光，激光的脈沖寬度為17.3ps，脈沖重頻為81.1MHz，圖8所示為實驗裝置[42]。2011年，法國航空航天實驗室的HARDY等人利用調(diào)QNd∶YAG激光器抽運嵌套腔，雙諧振光參量振蕩器(nested-cavity,doubly resonant optical parametric oscillator,NesCOPO)，輸出波長為3.9μm的激光，波長調(diào)諧范圍為3.8μm～4.3μm，脈沖重頻為4.8kHz[43]。2012年，英國南安普頓大學(xué)的LIN等人利用摻Y(jié)b3+光纖激光器抽運周期極化MgO摻雜鈮酸鋰(periodically poled magnesium-oxide doped lithium niobate,PPMgLN)，輸出波長為3.82μm的激光，功率達(dá)到5.5W，脈沖重頻為100kHz[44]。2013年，西班牙光子科學(xué)研究所的KIMMELMA等人利用脈沖重頻為80MHz的摻Y(jié)b光纖激光器抽運MgO∶PPLN OPO,輸出的中紅外激光脈沖重頻增大到了7GHz[45]。2014年，西班牙光子科學(xué)研究所RAMAIAH-BADARLA等人報道了采用鎖模摻Y(jié)b光纖激光器抽運兩塊MgO∶PPLN晶體，實現(xiàn)了雙信號光、雙閑頻光同步可調(diào)諧輸出，中紅外激光波長調(diào)諧范圍為3118nm～3393nm，脈沖重頻達(dá)到了160MHz[46]。2015年，英國南安普頓大學(xué)的XU等人利用光纖主振功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)系統(tǒng)抽運MgO∶PPLN，輸出波長閑頻光可調(diào)諧范圍為2.3μm～3.5μm，單脈沖能量為1.5μJ，脈沖重頻為1MHz[47]。2016年，法國巴黎-薩克雷大學(xué)的RIGAUD等人利用高能量飛秒摻Y(jié)b光纖放大器抽運的MgO∶PPLN OPO輸出中紅外激光的波長為3.07μm，單脈沖能量為10μJ，脈沖寬度為72fs，脈沖重頻為125kHz[48]。2017年，英國倫敦帝國理工學(xué)院的MURRAY等人利用摻Y(jié)b/Er光纖主振蕩功率放大系統(tǒng)抽運MgO∶PPLN，中紅外激光輸出功率大于6W，波長范圍為3.31μm～3.48μm，脈沖重復(fù)頻率為1MHz～50MHz，這是目前單通光纖MOPA抽運激光輸出的最高水平[49]。

圖8 Yb光纖激光器抽運皮秒MgO∶PPLN OPO[42]

2009年，華中科技大學(xué)的XIA等人利用聲光調(diào)QNd∶YAG激光器抽運單諧振PPLN OPO和MgO∶PPLN OPO，通過改變晶體溫度和極化周期長度，輸出了中紅外波段閑頻光的波長調(diào)諧范圍為2.80μm～4.79μm，脈沖重頻為10kHz[50]。同年，中國工程物理研究院的PENG等人利用類似的聲光調(diào)QNd∶YAG激光器抽運單諧振周期極化MgO摻雜同組分鈮酸鋰晶體(periodically poled MgO-doped congruent LiNbO3crystal,PPMgO∶CLN)，晶體溫度為110℃時，波長為3.84μm的激光平均功率達(dá)到了16.7W，斜率效率為19.1%，脈沖重頻為7kHz，M2因子在平行和垂直方向分別為2.03和5.89[51]，相應(yīng)的實驗裝置如圖9所示。2010年，清華大學(xué)的LIU等人利用高重頻聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器抽運周期極化MgO摻雜鈮酸鋰(periodically-poled MgO doped lithium niobate,PPMgOLN)，對應(yīng)于3個不同的極化周期，這種中紅外OPO輸出閑頻光的波長分別為3591nm、3384nm和3164nm，平均功率分別為3.0W，2.7W和4.3W，脈沖重頻為76.8kHz[52]。同年，浙江大學(xué)的WU等人利用輸出線偏振激光的聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器作為抽運源，使用半外腔結(jié)構(gòu)構(gòu)建了室溫工作的高效、高功率中紅外MgO ∶PPLN OPO，輸出激光波長為3.82μm，功率為9.23W，脈沖重頻為52kHz[53]。2012年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的XU等人利用波長為1.9μm的聲光調(diào)QTm摻雜氟化釔鋰(LiYF4,YLF)Tm ∶YLF激光器作為抽運源，首次在室溫實現(xiàn)了高效、雙振蕩MgO ∶PPLN OPO，信號光和閑頻光的波長約等于3.8μm，功率為2.9W，脈沖重頻為2kHz[54]。同年，中國工程物理研究院的PENG等人利用Nd ∶YAG MOPA偏振激光系統(tǒng)作為抽運源，構(gòu)建了單諧振MgO ∶PPLN OPO，輸出波長為3.91μm的中紅外激光，平均功率達(dá)到了27W，脈沖重頻為10kHz，波長調(diào)諧范圍為3.7μm～4.0μm[55]。2014年，山東大學(xué)的LIU等人利用摻Y(jié)b光纖激光器抽運MgO ∶PPLN，構(gòu)建了波長可調(diào)諧、高效的中紅外耦合輸出單諧振OPO，輸出閑頻光波長在3.0μm～3.9μm之間可連續(xù)調(diào)諧，脈沖重頻可達(dá)到50kHz[56]。2015年，深圳大學(xué)的LIU等人利用體光柵鎖波長的電光調(diào)QEr ∶YAG激光器抽運MgO ∶PPLN，輸出總平均功率超過1W。調(diào)節(jié)MgO ∶PPLN晶體的溫度，能夠使得信號光和閑頻光分別在2.67μm～2.72μm和4.17μm～4.31μm范圍內(nèi)調(diào)諧，脈沖重頻可達(dá)到3kHz[57]。同年，華北光電技術(shù)研究所的LI等人利用Nd ∶GdVO4振蕩器+MOPA結(jié)構(gòu)抽運MgO ∶PPLN，輸出中紅外激光波長為3.81μm，平均功率為5.4W，光光轉(zhuǎn)換效率為15.88%，脈沖重頻為10kHz[58]。

圖9 Nd ∶YAG激光器抽運PPMgO ∶CLN OPO[51]

3.2 ZGP OPO

2010年，挪威國防研究機構(gòu)的LIPPERT等人利用輸出波長為2.1μm的Tm光纖/Ho∶YAG雜化激光器系統(tǒng)抽運ZGP晶體，構(gòu)建了V型三鏡環(huán)形諧振腔ZGP OPO，輸出信號光和閑頻光的波長分別為3.9μm和4.5μm，總功率為22W，脈沖重頻為45kHz，圖10所示為相應(yīng)的實驗裝置示意圖[59]。2013年，澳大利亞國防科技組織的HEMMING等人采用類似的雜化激光系統(tǒng)抽運ZGP晶體，輸出激光波長為3μm～5μm，平均功率為27W，重頻為35kHz[60]。2014年，美國中弗羅里達(dá)大學(xué)的GEBHARDT等人直接利用納秒Tm光纖MOPA系統(tǒng)作為抽運源，構(gòu)建了雙振蕩腔ZGP OPO，輸出中紅外激光的波長為3.7μm，脈沖重頻為4kHz[61]。2015年，法國圣路易斯法德研究所的KIELECK等人利用有源Q開關(guān)摻Tm3+單諧振保偏雙包層光纖作為抽運源，直接抽運ZGP OPO，輸出中紅外激光波長范圍為3μm～5μm，平均功率達(dá)到6.5W，脈沖重頻為40kHz[62]。

圖10 Ho ∶YAG激光器抽運ZGP OPO[59]

2011年，中國工程物理研究院的PENG等人使用KTP OPO輸出波長為2.1μm激光，進(jìn)而抽運ZGP OPO得到信號光和閑頻光的波長分別為4.1μm和4.32μm，總的平均功率為5.7W，脈沖重頻為8kHz[63]。2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的YAO等人采用Ho ∶YAG激光器和Ho摻雜镥鋁石榴石(Lu3Al5O12,LuAG)Ho ∶LuAG激光器(激光波長都為2.1μm)抽運ZGP OPO，輸出中紅外激光的波長范圍為3μm～5μm，平均功率分別達(dá)到41.2W和5.51W，脈沖重頻分別為20kHz和5kHz。圖11所示為Ho ∶YAG激光器抽運ZGP OPO的實驗裝置示意圖[64-65]。2015年，華北光電技術(shù)研究所的HAN等人利用聲光調(diào)QHo ∶YLF MOPA系統(tǒng)作為抽運源，采用雙諧振腔結(jié)構(gòu)構(gòu)建了ZGP OPO，輸出中紅外激光波長為3.52μm和4.9μm，總平均功率為26.9W，脈沖寬度為25ns，脈沖重頻為5kHz。通過對ZGP OPO進(jìn)行角度調(diào)諧，獲得了波長為3.75μm和4.5μm的激光輸出[66]。2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的DUAN等人構(gòu)建了Tm ∶YLF-Ho ∶LuAG-ZGP中紅外激光系統(tǒng)。Ho ∶LuAG激光器在聲光調(diào)Q工作時，輸出最大平均功率分別為34.1W，34.9W和35.2W，對應(yīng)脈沖重頻為10kHz，15kHz和20kHz；當(dāng)Ho∶LuAG激光器輸出平均功率為34.1W時，ZGP OPO的輸出功率分別為16.7W，15.3W和12.6W，對應(yīng)脈沖重頻分別為10kHz，15kHz和20kHz，最小脈沖寬度分別為23ns，27ns和31ns，最大單脈沖能量分別為1.7mJ，1.0mJ和0.6mJ。這是Ho ∶LuAG激光器抽運ZGP輸出中紅外激光已知的最好性能。ZGP OPO輸出信號光和閑頻光的光束質(zhì)量因子M2分別為2.2和1.9[67]。

圖11 Ho ∶YAG激光器抽運ZGP OPO[64]

4 結(jié)束語

目前，用于光電對抗的固體和光纖高重頻中紅外激光器仍然是研究的熱點。為了提升高重頻中紅外激光器的性能，需要深入研究并改善中紅外激光介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，發(fā)展提高中紅外激光器性能的技術(shù)?？傮w看來，國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域中理論和技術(shù)兩方面的研究都略顯不足。本文中依照時間先后次序，詳細(xì)總結(jié)了幾種高重頻中紅外激光的研究進(jìn)展?fàn)顩r，并根據(jù)已有研究展望了未來具有發(fā)展?jié)摿Φ膸讉€研究方向。實際上，只有若干的關(guān)鍵技術(shù)取得較大突破時，高重頻中紅外固體和光纖激光器才能得到快速的發(fā)展。例如，提高抽運源激光器的脈沖重頻，是實現(xiàn)高重頻Fe2+∶ZnSe中紅外固體激光器的關(guān)鍵；室溫條件下實現(xiàn)中波紅外激光的輸出以及克服粒子數(shù)的瓶頸效應(yīng)是實現(xiàn)實用型Er3+∶ZBLAN光纖激光器的關(guān)鍵；喇曼激光器具有波長可變和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，也可作為中紅外光纖激光器的一個重要發(fā)展類型；制備高質(zhì)量、大尺寸OPO晶體是實現(xiàn)高功率中紅外激光器的關(guān)鍵。另外，為了簡化中紅外激光器的結(jié)構(gòu)，減輕系統(tǒng)的重量，提高運行的穩(wěn)定性，可采用光纖激光器直接抽運OPO晶體的方式，這也是目前高重頻中紅外OPO激光器的研究重點之一。