第４５卷　第３期２０２１年５月
激  光  技  术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３Ｍａｙ，２０２１
  文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０３ ０２７１ ０９
用于光电对抗的高重频中红外激光器综述
刘晓旭，韩聚洪，蔡　和，杨　峰，荣克鹏，安国斐，王　縴
（西南技术物理研究所，成都６１００４１）
摘要：高重频中红外激光器在光电对抗及其它领域具有重要的应用价值，其输出的激光波长覆盖了３μｍ～５μｍ，主要包括直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光学参量振荡器３种类型。介绍了产生高重频中红外激光的主要技术方案，并讨论了上述３种类型激光器的相关进展状况。最后，对各种技术所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。
关键词：激光器；中红外；调Ｑ；锁模；光参量振荡器
中图分类号：ＴＮ２４８  　文献标志码：Ａ  　ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０３ ００１
Ｒｅｖｉｅｗｏｆｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄｌａｓｅｒｓ
ｆｏｒｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ
ＬＩＵＸｉａｏｘｕ，ＨＡＮＪｕｈｏｎｇ，ＣＡＩＨｅ，ＹＡＮＧＦｅｎｇ，ＲＯＮＧＫｅｐｅｎｇ，ＡＮＧｕｏｆｅｉ，ＷＡＮＧＹｏｕ
（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆ３μｍ～５μｍｐｌａｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｍａｉｎｌｙｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓ：ｄｉｒｅｃｔｐｕｍｐｅｄｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓ，ｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄｆｉｂｅｒｌａｓ
ｅｒｓ，ａｎｄｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ（ＯＰＯｓ）．Ｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄｌａｓｅｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｉｒｓｔ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｌａｓｅｒｓｍｅｎｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｒｅｐｏｒｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｐｏｉｎｔｏｕｔｓｏｍｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｔｈｅｎｅａｒｆｕｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｓ；ｍｉｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ；Ｑ ｓｗｉｔｃｈｅｄ；ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｅｄ；ｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
  基金项目：国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＢ０４０５１０１）
作者简介：刘晓旭（１９８２ ），男，高级工程师，现主要从事中红外激光技术的研究。
通讯联系人。Ｅ
ｍａｉｌ：ｙｏｕｗａｎｇ＿２００７＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ收稿日期：２０２０ ０８ ３１；收到修改稿日期：２０２０ １０ ２２
引　言
中红外激光的波长位于３μｍ～５μ
ｍ范围内，正好位于大气的传输窗口，在大气环境中传输时其能量衰减较小。因此，中红外激光在遥感、大气监控、环境保护、激光制导、光电对抗等领域具有重要的应用。另外，由于中红外波段存在着众多的分子特征吸收谱线，可广泛应用于气体检测和光谱分析等领域。近年，中红外激光正在逐渐成为相关领域的研究热点。
中红外激光器可以工作在连续或脉冲模式。通常，激光器输出脉冲的重频大于１ｋＨｚ时，可将其称为高重频激光器。光电对抗系统中最重要的构成部分就包含了高重频中红外激光器，而提高高重频中红外激
光器的性能就能够直接增强光电对抗系统的效能。在定向红外对抗中，大多数红外导引头都针对目标实施了时域调制。为了应对这一措施，干扰用激光器必须以脉冲方式工作，其脉冲重频的范围大约是２０ｋＨｚ～梦见水
５０ｋＨｚ
［１］土豪520
；激光雷达采用了高重频、大动态范围、相干激光测距和测速技术［２］
；光子计数激光测距通常采用低能量、高重频激光器，最后通过统计分析得到距离信
息，这样能够达到消除噪声影响、抑制虚警概率和提高
测距精度的目的［３］。
本文中主要介绍了３类高重频中红外激光器：直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光参量振荡器，讨论了这３类激光器的相应研究进展，也对主要相关技术中所存在的问题和中红外激光器未来的发展方向进行了分析和展望。
１　直接抽运式高重频中红外固体激光器
目前，直接抽运式中红外固体激光器的增益介质
激  光  技  术２０２１年５月
主要是Ｆｅ２＋离子掺杂的ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ和ＣｄＳｅ等晶体，其中，对Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ晶体的研究最为深入。因为Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ晶体具有较宽的吸收带宽，能够输出波长
调谐范围较宽、光束质量较好的中红外激光，所以长期
以来都是中红外激光研究的焦点。由于Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ中
红外激光器的抽运源激光的重频一般受到很大的限制，所以高重频抽运源激光器的报道相对较少，这直接
导致了Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ中红外激光器的重频通常小于０．１ｋＨｚ。在研究初期，Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ激光器只能在低温
下运行。近年，受益于抽运源和相关新技术的飞速发
展，Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ激光器已经能够工作在相对较高的温
度甚至是室温。
１９９９年，美国利弗莫尔实验室的ＡＤＡＭＳ等人利用波长２．６９８μ
ｍ的Ｅｒ∶ＹＡＧ激光器在低温（１５Ｋ～１８Ｋ）条件下抽运Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体，首次实现了波长调
谐范围为３．９８μｍ～４．５４μ
ｍ的激光输出，脉冲重频达到了１００Ｈｚ［４］
。２００５年，美国阿拉巴马大学的ＫＥＲ ＮＡＬ等人利用调ＱＮｄ∶ＹＡＧ激光器抽运Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ
晶体，首次实现了室温条件下的激光输出，激光脉冲频
率为１０Ｈｚ，波长调谐范围为３．９μｍ～４．８μ
ｍ［５］
。２００６年，美国阿拉巴马大学的ＡＫＩＭＯＶ等人利用Ｅｒ∶ＹＡＧ
激光器输出波长２．９３６４μ
ｍ的巨脉冲，抽运Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体得到了有效的室温激光输出，激光脉冲的重频为６０Ｈｚ，脉冲宽度为１００ｎｓ，波长在３．９５μｍ～５．０５μ
ｍ之间连续可调谐［６］。２０１４年，美国空军实验室的ＥＶ
ＡＮＳ等人利用波长２９３６ｎｍ的Ｅｒ∶ＹＡＧ激光器双端抽
运Ｆ
ｅ２＋
克林霉素不良反应∶ＺｎＳｅ晶体，使用半导体可饱和吸收镜（ｓｅｍｉ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｔｕｒａｂｌｅａｂｓｏｒｂｅｒｍｉｒｒｏｒｓ，ＳＥＳＡＭ）作为调Ｑ元件，在低温条件下输出了波长为４０４５ｎｍ的激光，脉
冲宽度为６４ｎｓ，脉冲重频约为０．８５ＭＨｚ［７］
。２０１５年，
ＩＰＧ公司的ＭＡＲＴＹＳＨＫＩＮ等人报道了在当时具有最高平均功率（３５Ｗ）的Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ激光器。温度在７７Ｋ时，波长调谐范围是３．８８μｍ～４．１７μ
ｍ，脉冲重频为１００Ｈｚ，脉冲宽度为１５０μ
ｓ，实验装置如图１所示［８］
。图１　波长可调谐的掺Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ激光器的光路图［
８］
国内对Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ中红外激光器的研究开展时间
较短，迄今为止，只有几家机构报道了相关研究结果。
总的来说，国内关于Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ中红外激光器的研究
仍处于较为初级的阶段。２０１４年，华北光电技术研究
所的ＸＩＡ等人采用热扩散掺杂技术制备了Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ
晶体，利用波长为２．９μ
ｍ，脉冲重频为１ｋＨｚ的中红外激光器抽运Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体，室温输出了中心波长为
４．４５μ
ｍ，脉冲宽度为２５ｎｓ，平均功率为６７ｍＷ的中红外激光［９］
。２０１５年，哈尔滨工业大学的ＹＡＯ等人采
用波长为２．８９μｍ，脉冲重频为１ｋＨｚ的磷锗锌（ＺｎＧｅＰ２
，ＺＧＰ）光学参量振荡器（ｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓ ｃｉｌｌａｔｏｒ
，ＯＰＯ）抽运Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ晶体，当抽运功率为１．４３Ｗ时，获得激光的平均功率为５３ｍＷ，脉冲宽度为２５ｎｓ，激光的中心波长为４．４５μｍ，范围为４．３３μ
ｍ～４．６１μ
ｍ［１０］
。同年，中国科学院电子所的ＫＥ等人采用波长为２．６μｍ～３．１μ
ｍ，脉冲宽度为１８０ｎｓ的非链式脉冲ＨＦ激光器抽运Ｆｅ２＋
泰国翻译
∶ＺｎＳｅ晶体，室温实现了单
脉冲能量为１５ｍＪ的激光输出，光光转换效率达到
１５％［１１］。
２　高重频中红外光纤激光器
中红外光纤材料的声子能量较低，中红外光在其中的传输损耗较小。目前，常用的中红外光纤为氟化物光纤和硫化物光纤。氟化物光纤ＺＢＬＡＮ的性质稳定，并得到了广泛使用，其成分包括０．５３ＺｒＦ４，０．２０ＢａＦ２，０．０４ＬａＦ３，０．０３ＡｌＦ３和０
．２０ＮａＦ（数值为摩尔分数）。利用掺杂Ｔｍ３＋，Ｈｏ３＋，Ｅｒ３＋
等离子的氟化
物光纤，已经能够实现波长为２μｍ～３μ
ｍ的激光输出。目前，波长为３μ
ｍ的高重频光纤激光器主要使用掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ和掺Ｈｏ３＋∶ＺＢＬＡＮ作为增益介质，
按
照工作方式分为调Ｑ和锁模光纤激光器两种类型。２．１　调Ｑ光纤激光器
２．１．１　主动调Ｑ　１９９４年，德国布伦瑞克工业大学
的ＦＲＥＲＩＣＨＳ等人首次报道了掺Ｅｒ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤激
光器在３μｍ波段调Ｑ输出了波长为２．７μ
ｍ的激光，脉冲宽度为１００ｎｓ，重频达到１０ｋＨｚ［１２］
。２００４年，英国
曼彻斯特大学的ＣＯＬＥＭＡＮ等人利用波长为９７２ｎｍ
的ＬＤ抽运Ｅｒ３＋／Ｐｒ３＋共掺ＺＢＬＡＮ光纤输出了波长为２．７μ
ｍ的激光，脉冲宽度为２５０ｎｓ，重频为１９．５ｋＨｚ［１３］。２０１１年，日本京都大学的ＴＯＫＩＴＡ等人利用波长为
９７５ｎｍ的ＬＤ抽运掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤，调Ｑ输出了
波长为２．８μ
ｍ的激光，激光脉冲宽度为９０ｎｓ，重频为１２０ｋＨｚ，平均功率为１２Ｗ［１４］
。２０１２年，澳大利亚悉尼
大学的Ｈ
Ｕ等人利用波长为１１５０ｎｍ的ＬＤ抽运源Ｈｏ３＋／Ｐｒ３＋
共掺ＺＢＬＡＮ光纤，调Ｑ输出了波长为
２．８６７μｍ的激光，激光脉冲宽度为７８ｎｓ，重频为４０ｋＨｚ～３００ｋＨｚ
，最大平均功率为０．７２Ｗ，实验装置如图２所２７２
第４５卷　第３期刘晓旭　用于光电对抗的高重频中红外激光器综述
示［１５］。２０１５年，德国ＬＩＳＡ激光公司的ＬＡＭＲＩＮＩ等人利用掺Ｈ
ｏ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤，调Ｑ输出波长为２．７９μ
ｍ的激光，激光脉冲宽度为５３ｎｓ，重频为１ｋＨｚ，平均功率为０．５６Ｗ［１６］
。
图２　调Ｑ掺Ｈｏ３＋／Ｐｒ３＋光纤激光器［
１５］
２０１２年，国内的电子科技大学的ＬＩ等人利用波
长为１
１５０ｎｍ的ＬＤ抽运掺Ｈｏ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤，调Ｑ输出波长为３．００５μｍ和２．０７４μｍ两个波长的激光，对应激光脉宽分别为３８０ｎｓ和２６０ｎｓ，重频都为
２５ｋＨｚ［１７］
；２０１３年，他们调Ｑ实现了波长为２．９７μ
ｍ～３．０１５μ
ｍ激光的调谐输出，激光脉冲宽度为３００ｎｓ～４１０ｎｓ，重频为４０ｋＨｚ，实验装置如图３所示［１８］
。
图３　主动调Ｑ掺Ｈｏ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤激光器
［１８］
２．１．２　被动调Ｑ　１９９６年，德国布伦瑞克工业大学的ＦＲＥＲＩＣＨＳ等人报道了利用ＩｎＡｓ外延层作为可饱和吸收体，以被动调Ｑ和锁模的方式工作，输出激光
波长为２．７μ
ｍ的掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤激光［１９］
。２０１２年，美国亚利桑那大学的ＷＥＩ等人利用ＬＤ抽运掺
Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ单模光纤，使用掺Ｆｅ２＋
∶ＺｎＳｅ晶体被动
调Ｑ，输出激光波长为２．８μｍ，单脉冲能量为２．０μＪ，脉冲宽度为０．３７μ
ｓ，对应的峰值功率为５．３４Ｗ，重频达到了０．１６１ＭＨｚ［２０］；２０１３年，他们又利用ＬＤ抽运掺
杂长度为１０ｍ的Ｅｒ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤，石墨烯被动调Ｑ，输出激光波长为２．７８μｍ，单脉冲能量为１．６７μＪ，脉冲宽度为２．９μ
ｓ，脉冲重频为３７ｋＨｚ；当光纤长度缩短到２ｍ时，脉冲宽度减小为１μ
ｓ［２１］
。２０１３年，美国亚利桑那大学的ＺＨＵ等人利用波长１．１５μ
ｍ的光纤激光器抽运掺Ｈｏ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤，实现了被动调Ｑ的激光输出，掺Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体和石墨烯作为可饱和吸收体，分
别对应的输出波长为２．９３μｍ和３μｍ，脉冲宽度分别为０．８２μｓ和１．２μ
ｓ，重频分别为１０５ｋＨｚ和１００ｋＨｚ，图４所示为实验装置［２２］。
２０１４年～２０１５年，电子科技大学的ＬＩ等人利用
图４　被动调Ｑ掺Ｈｏ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤激光器［
２２］
波长为１．１５μｍ的ＬＤ抽运掺Ｈｏ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤，分别用ＳＥＳＡＭ、Ｂｉ２Ｔｅ３晶体和掺Ｆ
ｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体作为被动调Ｑ元件，输出激光波分别长为２．９７１μｍ，２．９７９９μｍ和２．９１９１μｍ～３．００４２μｍ，脉冲宽度分别为１．６８μｓ，１．３７μｓ和１．２３μｓ～２．３５μ
ｓ，脉冲重频分别为４７．６ｋＨｚ，８１．９６ｋＨｚ和９６．１ｋＨｚ～４３．５６ｋＨｚ［２３ ２５］
。
２０１５年，上海交通大学的ＱＩＮ等人第１次报道了采用黑磷（ｂｌａｃｋｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ，ＢＰ）作为可饱和吸收体，实现波长为２．８μｍ调Ｑ运行的光纤激光器。光纤激光器输出最大平均功率为４
８５ｍＷ，对应单脉冲能量为７．７μＪ，脉冲宽度为１．１８μ
ｓ，脉冲重频为６３ｋＨｚ［２６］
。２０１６年，四川大学、深圳大学和中国科学院西安光学精
密机械研究所的研究人员利用ＬＤ抽运掺Ｅｒ３＋
∶ＺＢＬＡＮ光纤，分别使用掺Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体、Ｂｉ２Ｔｅ３晶体和
ＳＥＳＡＭ作为调Ｑ元件，输出激光波长都在２．８μｍ左右，单脉冲能量为几个微焦，脉冲宽度为几百纳秒，重
频分别为１０２．９４ｋＨｚ，５０ｋＨｚ和１４６．３ｋＨｚ［２７ ２９］。同年，
电子科技大学的ＷＥＩ等人首次报道了ＷＳ２薄膜作为
可饱和吸收体，利用Ｌ
Ｄ抽运Ｈｏ３＋／Ｐｒ３＋
共掺ＺＢＬＡＮ光纤，输出激光波长为２．８６５７μｍ，激光平均功率为４８．４ｍＷ，单脉冲能量为０．３７μＪ，脉冲宽度为１．７３μ
ｓ，脉冲重频为１３１．６ｋＨｚ［３０］
。２０１８年，电子科技大学的ＬＡＩ等人利用波长为９７６ｎｍ的ＬＤ抽运掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光
纤，ＳＥＳＡＭ被动调Ｑ输出激光波长为２．７９８８μｍ，最大平均功率为３．０１Ｗ，单脉冲能量为１０．８２μＪ，脉冲宽度为０．４５μ
ｓ，脉冲重频为２７８．５ｋＨｚ，图５所示为实验装置［３１］
。
图５　被动调Ｑ掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤激光器［
３１］
３７２
激  光  技  术２０２１年５月
２．２　锁模光纤激光器
２０１２年，美国亚利桑那大学的ＷＥＩ等人利用ＬＤ
抽运掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤，掺Ｆｅ２＋∶ＺｎＳｅ晶体被动锁
模，输出激光波长为２．８μ
ｍ，平均功率为５１ｍＷ，脉冲宽度为１９ｐｓ，脉冲重频为５０ＭＨｚ［３２］。２０１４年～２０１６
年，加拿大拉瓦尔大学的ＨＡＢＯＵＣＨＡ等人和ＤＵＶＡＬ等人、澳大利亚悉尼大学的ＨＵ等人、美国亚利桑那大
学的ＺＨＵ等人分别利用ＬＤ抽运掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光
纤，输出激光波长为２．８μ
ｍ左右，脉冲宽度分别为６０ｐｓ，０．２０７ｐｓ，０．４９７ｐｓ和４２ｐｓ，脉冲重频分别达到
５１．７５ＭＨｚ，５５．２ＭＨｚ，５６．７ＭＨｚ和２５．４ＭＨｚ［３３ ３６］。图
６所示为美国亚利桑那大学的ＺＨＵ等人的实验装置。
２０１２年和２０１６年，电子科技大学的ＬＩ等人、国防
科技大学的ＹＩＮ等人分别利用ＬＤ抽运共掺Ｈｏ３＋
／Ｐｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤，ＳＥＳＡＭ、Ｂｉ２Ｔｅ３纳米片可饱和吸收
体锁模输出激光，波长位于２．８７μｍ和２．８３μｍ，平均
图６　石墨烯锁模掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ光纤激光器［
３６］
功率为１３２ｍＷ和９０ｍＷ，单脉冲能量为４．９ｎＪ和８．６ｎＪ，脉冲宽度为２４ｐｓ和６ｐｓ，脉冲重频为２７．１ＭＨｚ
和１０．４ＭＨｚ［３７ ３８］
。２０１５年，湖南大学的ＴＡＮＧ等人设计了基于ＳＥＳＡＭ的掺Ｅｒ３＋∶ＺＢＬＡＮ锁模光纤激光器，
输出激光波长为２．８μ
ｍ，最高平均功率超过１Ｗ，脉冲宽度为２５ｐｓ，脉冲重频达到２２．５６ＭＨｚ［３９］
。２０１６年和
２０１８年，上海交通大学的ＱＩＮ等人利用基于ＢＰ可饱
和吸收体的掺Ｅｒ３＋
∶ＺＢＬＡＮ锁模光纤激光器，输出激
光波长为２．８μｍ和３．４８９μ
ｍ，平均功率为６１３ｍＷ和４０ｍＷ，脉冲重频为２４ＭＨｚ和２８．９１ＭＨｚ［４０ ４１］，图７所
图７　黑磷调Ｑ和锁模掺Ｅｒ∶ＺＢＬＡＮ光纤激光器［
４１］
示为相应的实验装置［４１］
。
３　高重频中红外光参量振荡器
晶体中发生的光学参量振荡是一种非线性过程，借此短波激光可以被变换到中红外波段。中红外ＯＰＯ所使用的非线性晶体主要包括磷酸氧钛钾（ＫＴｉＯＰＯ４，ＫＴＰ）、硒镓银（ＡｇＧａＳｅ２）、磷锗锌（ＺｎＧｅＰ２，ＺＧＰ）、周期性极化铌酸锂（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ，ＰＰＬＮ）等。其中，ＰＰＬＮ和ＺＧＰ晶体使用最为广泛。ＰＰＬＮ的特点是具有较高的非线性系数，并且性质很稳定，通过掺杂ＭｇＯ可提高ＰＰＬＮ的光折变损伤阈值，这使得ＰＰＬＮ成为一种较为理想的非线性晶体。利用这些有利条件，满足准相位匹配（ｑｕａｓｉ ｐｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ
，ＱＰＭ）条件的ＰＰＬＮＯＰＯ就能够高效地输出中红外激光。通过调节ＭｇＯ掺杂ＰＰＬＮ（ＭｇＯ ｄｏｐｅｄＰＰＬＮ，ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ）晶体的温度和极化周期，可以实现中红外全波段的可调谐输出。ＺＧＰ的特点是具有良好的导热性，非线性系数较大，且制备工艺成熟。高功率输出的中红外ＯＰＯ可以采用波长２μｍ的脉冲激光抽运ＺＧＰ得到。近年来，研究人员采用掺铥光纤激光器直接抽运Ｚ
ＧＰ输出中红外激光，有效地提高了激光器的稳定性，并同时简化了相应的结构。３．１　ＰＰＬＮＯＰＯ
２０１０年，西班牙光子科学研究所的ＫＯＫＡＢＥＥ等人利用掺镱光纤激光器抽运Ｍ
ｇＯ∶ＰＰＬＮ晶体，在抽运功率为１６Ｗ时获得了波长为１．４７μｍ、功率为７．１Ｗ的信号光和波长为３．０８μｍ、功率为４．９Ｗ的闲频光，激光的脉冲宽度为１
７．３ｐｓ，脉冲重频为８１．１ＭＨｚ，图８４７２
第４５卷　第３期刘晓旭　用于光电对抗的高重频中红外激光器综述
图８　Ｙｂ光纤激光器抽运皮秒ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ
［４２］
所示为实验装置［４２］
。２０１１年，法国航空航天实验室
的ＨＡＲＤＹ等人利用调ＱＮｄ∶ＹＡＧ激光器抽运嵌套腔，双谐振光参量振荡器（ｎｅｓｔｅｄ ｃａｖｉｔｙ，ｄｏｕｂｌｙｒｅｓｏｎａｎｔｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ＮｅｓＣＯＰＯ），输出波长为３．９μｍ的激光，波长调谐范围为３．８μｍ～４．３μ
ｍ，脉冲重频为４．８ｋＨｚ［４３］
。２０１２年，英国南安普顿大学的
ＬＩＮ等人利用掺Ｙｂ３＋光纤激光器抽运周期极化ＭｇＯ
掺杂铌酸锂（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｏｘｉｄｅｄｏｐｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ，ＰＰＭｇＬＮ），输出波长为３．８２μｍ的激光，功率达到５．５Ｗ，脉冲重频为１００ｋＨｚ［４４］
。２０１３年，西班牙光子科学研究所的ＫＩＭＭＥＬＭＡ等人利用脉冲重频为８
０ＭＨｚ的掺Ｙｂ光纤激光器抽运ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ，输出的中红外激光脉冲重频增大到了７ＧＨｚ［４５］
。
２０１４年，西班牙光子科学研究所ＲＡＭＡＩＡＨ ＢＡＤＡＲ ＬＡ等人报道了采用锁模掺Ｙｂ光纤激光器抽运两块ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ晶体，实现了双信号光、双闲频光同步可调谐输出，中红外激光波长调谐范围为３１１８ｎｍ～
３３９３ｎｍ，脉冲重频达到了１６０ＭＨｚ［４６］
。２０１５年，英国
南安普顿大学的ＸＵ等人利用光纤主振功率放大（ｍａｓｔｅｒｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＭＯＰＡ）系统抽运ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ，输出波长闲频光可调谐范围为２．３μｍ～３．５μｍ，单脉冲能量为１．５μＪ，脉冲重频为１ＭＨｚ［４７］
。２０１６年，法国巴黎 萨克雷大学的ＲＩＧＡＵＤ等人利用高能量飞秒掺Ｙｂ光纤放大器抽运的ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ输出中红外激光的波长为３．０７μ
ｍ，单脉冲能量为１０μ
Ｊ，脉冲宽度为７２ｆｓ，脉冲重频为１２５ｋＨｚ［４８］
。２０１７年，英国伦敦帝国理工学院的ＭＵＲＲＡＹ等人利用掺Ｙｂ／Ｅｒ光纤主振荡功率放大系统抽运ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ，中红外激光输出功率大于６Ｗ，波长范围为３．３１μｍ～３．４８μ
ｍ，脉冲重复频率为１ＭＨｚ～５０ＭＨｚ，这是目前单通光纤Ｍ
ＯＰＡ抽运激光输出的最高水平［４９］
。２００９年，华中科技大学的ＸＩＡ等人利用声光调ＱＮｄ∶ＹＡＧ激光器抽运单谐振ＰＰＬＮＯＰＯ和ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ，通过改变晶体温度和极化周期长度，输出了中红外波段闲频光的波长调谐范围为２．８０μｍ～４．７９μ
ｍ，脉冲重频为１０ｋＨｚ［５０］
。同年，中国工程物理研究院的
ＰＥＮＧ等人利用类似的声光调ＱＮｄ∶ＹＡＧ激光器抽运单谐振周期极化ＭｇＯ掺杂同组分铌酸锂
晶体（ｐｅｒｉ ｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄＭｇＯ ｄｏｐｅｄｃｏｎｇｒｕｅｎｔＬｉＮｂＯ３ｃｒｙｓｔａｌ，ＰＰＭｇＯ∶ＣＬＮ），晶体温度为１１０℃时，波长为３．８４μｍ的激光平均功率达到了１６．７Ｗ，斜率效率为１９．１％，
脉冲重频为７ｋＨｚ，Ｍ２因子在平行和垂直方向分别为
２．０３和５．８９［５１］
，相应的实验装置如图９所示。２０１０
年，清华大学的ＬＩＵ等人利用高重频声光调ＱＮｄ∶ＹＶＯ４激光器抽运周期极化ＭｇＯ掺杂铌酸锂（ｐｅｒｉｏｄｉ ｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄＭｇＯｄｏｐｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ，ＰＰＭｇＯＬＮ），对应于３个不同的极化周期，这种中红外ＯＰＯ输出闲频光的波长分别为３５９１ｎｍ、３３８４ｎｍ和３１６４ｎｍ，平均功率
分别为３．０Ｗ，２．７Ｗ和４．３Ｗ，脉冲重频为７６．８ｋＨｚ［５２］
。
同年，浙江大学的ＷＵ等人利用输出线偏振激光的声光调ＱＮｄ∶ＹＶＯ４激光器作为抽运源，使用
半外腔结构构建了室温工作的高效、高功率中红外ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ，输出激光波长为３．８２μ
ｍ，功率为９．２３Ｗ，脉冲重频为５２ｋＨｚ［５３］
。２０１２年，中国科学院上海光学精密机
械研究所的ＸＵ等人利用波长为１．９μｍ的声光调ＱＴｍ掺杂氟化钇锂（ＬｉＹＦ４，ＹＬＦ）Ｔｍ∶ＹＬＦ激光器作为抽运源，首次在室温实现了高效、双振荡ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ，信号光和闲频光的波长约等于３．８μ
ｍ，功率为２．９Ｗ，脉冲重频为２ｋＨｚ［５４］
。同年，中国工程物理研究
院的ＰＥＮＧ等人利用Ｎｄ∶ＹＡＧＭＯＰＡ偏振激光系统作为抽运源，构建了单谐振ＭｇＯ∶ＰＰＬＮＯＰＯ，输出波长为３．９１μ
ｍ的中红外激光，平均功率达到了２７Ｗ，脉冲重频为１０ｋＨｚ，波长调谐范围为３．７μｍ～４．０μ
ｍ［５５］
。２０１４年，山东大学的ＬＩＵ等人利用掺Ｙｂ光纤激光器抽运ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ，构建了波长可调谐、高效的中红外耦合输出单谐振ＯＰＯ，输出闲频光波长在３．０μ
ｍ～３．９μ
ｍ之间可连续调谐，脉冲重频可达到５０ｋＨｚ［５６］
。２０１５年，深圳大学的ＬＩＵ等人利用体光栅锁波长的电光调ＱＥｒ∶ＹＡＧ激光器抽运ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ，输出总平均功率超过１
Ｗ。调节ＭｇＯ∶ＰＰＬＮ晶体的温度，能够使得信号光和闲频光分别在２．６７μｍ～２．７２μｍ和４．１７μｍ～４．３１μ
ｍ范围内调谐，脉冲重频可达到３ｋＨｚ［５７］。同年，华北光电技术研究所的ＬＩ等人利用
图９　Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器抽运ＰＰＭｇＯ∶ＣＬＮＯＰＯ
神仙鱼怎么养
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