中红外波段3～5 μm是良好的大气透射窗口，对应着物体的红外辐射谱，具有对比度高及高湿度条件下穿透能力强等优点，在激光雷达、大气遥感、激光医疗、光谱学、军事等领域具有重要的应用价值^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}。

目前，固体激光器实现中红外激光输出有两种常用的技术手段：一是以Fe²⁺离子掺杂的Ⅱ~Ⅵ族晶体为增益介质的固体激光器；二是采用光学频率变换技术的光参量振荡器(Optical Parameter Oscillator，OPO)。可掺杂Fe²⁺离子实现中红外激光输出的Ⅱ~Ⅵ族晶体包括ZnS、ZnSe、ZnTe和CdSe等，它们对应的激光光谱范围分别为：3.49～4.65 μm，3.77～5.05 μm，4.35～5.45 μm和4.7～6.1 μm^{[9, 10, 11, 12]}。Fe²⁺∶ZnSe固体激光器具有非常宽的吸收带宽，同时它在中红外波段具有很宽的波长调谐范围，且输出激光光束质量好^{[13, 14, 15]}，因此Fe²⁺∶ZnSe是掺Fe²⁺固体激光器中最受关注的激光光源。OPO是利用晶体的非线性效应将可见或近红外激光的频率变换到中红外波段。可用于中红外OPO的非线性晶体主要有磷酸氧钛钾(KTP)、硒镓银(AgGaSe₂)、磷锗锌(ZnGeP₂) 、掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂(MgO∶PPLN)等^{[16, 17, 18, 19]}。KTP OPO发展较早，但受晶体通光波段限制，其输出波长一般小于4 μm。AgGaSe₂ OPO易于实现中红外激光输出，但其非线性晶体热导率小，运转过程中易产生热透镜效应，限制了该激光器的输出功率。MgO∶PPLN OPO采用准相位匹配技术周期性地改变非线性极化率，消除了走离效应对光参量变换的影响，同时通过改变MgO∶PPLN晶体的极化周期可以方便地实现输出波长调谐。因此，近年来采用MgO∶PPLN OPO获得中红外激光输出受到了广泛的关注^[20, 21]。ZnGeP₂晶体具有良好的导热性和较高的非线性系数，发展较为成熟，是实现中红外OPO激光输出较好的技术手段，目前已采用该技术获得了数十瓦的激光输出。

本文重点阐述了Fe²⁺∶ZnSe和基于MgO∶PPLN、ZnGeP₂晶体的OPO固体激光器实现中红外激光输出的技术途径及研究进展，并分析了限制它们输出性能的主要因素，提出了未来中红外固体激光器的发展趋势。

将FeSe掺杂进入ZnSe基质，Fe²⁺部分取代正四面体晶格中心的Zn²⁺离子形成Fe²⁺∶ZnSe晶体。Fe²⁺的外层电子组态为1s²2s²2p⁶3p⁶3d⁶，其最外壳层3d⁶电子的基态5D在ZnSe正四面体晶体场中分裂为二重简并的基态⁵E能级和三重简并的激发态⁵T₂能级，能级间隔对应中红外波段。受到晶体场、自旋-轨道耦合作用，基态⁵E能级而分裂成5个等间距的能级结构(Γ₁、Γ₄、Γ₃、Γ₅、Γ₂)，能级间隔为15 cm^-1，而激发态⁵T₂三重态能级分别分裂成Γ₁、Γ₄、Γ₅、Γ₃、Γ₄、Γ₅ 6个能级，Fe²⁺的能级结构如图1所示。

图 1 Fe2+∶ZnSe能级结构Fig.1 Energy level structure of Fe2+∶ZnSe

图选项

1999年，Adams首次提出了Fe²⁺∶ZnSe固体激光器，并在温度低于18 K条件下，实现了高效率的4.0~4.5 μm激光输出^[22]，之后，Fe²⁺∶ZnSe固体激光器迎来了蓬勃发展期。以美国和俄罗斯为首的科技强国对该激光器的研究投入了大量精力，受限于Fe²⁺∶ZnSe晶体室温下超短的荧光寿命(370 ns)及短波红外波段窄脉宽固体激光泵浦源的发展，开始几年该激光器只能在低温条件下工作。近年来随着新技术、新机制泵浦源的发展，室温条件下Fe²⁺∶ZnSe激光器逐渐实现了激光输出，且输出能量逐步提升。现将近年来的几个较为重要的成果及发展历程介绍如下。

2011年，美国阿拉巴马大学Myoung等人采用了输出波长为2.8 μm，脉冲宽度为20 ns，最大单脉冲能量为33 mJ的闪光灯泵浦主动调Q Er∶Cr∶YSGG激光器为泵浦源；利用热扩散法制备了尺寸为8 mm×8 mm×3 mm的Fe²⁺∶ZnSe晶体，掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3，在236～300 K温度范围内实现了中红外激光输出，实验装置如图2所示^[23]。在室温300 K时获得最大单脉冲能量为3.6 mJ，斜效率为15.7%，输出波长为4.37 μm；在236 K时，获得最大单脉冲能量为4.7 mJ，斜效率为18.9%，输出波长为4.3 μm。该实验证实了通过增大泵浦源能量可成倍增加中红外激光输出，并指出泵浦源输出水平是限制Fe²⁺∶ZnSe固体激光器能量提升的主要因素。

图 2 主动调Q Er∶Cr∶YSGG激光泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器实验装置Fig.2 Fe2+∶ZnSe laser pumped by active Q-switch Er∶Cr∶YSGG laser

图选项

2012年，美国空军实验室的Evans采用双端面泵浦技术实现了Fe²⁺∶ZnSe激光器的中红外连续输出，实验装置如图3所示^[15]。泵浦源为连续运转的Er∶YAG激光，输出波长为2 940 nm，单台平均功率为1.5 W，总泵浦功率为3 W，光束质量M²≤2。采用热扩散法制备的Fe²⁺∶ZnSe晶体掺杂浓度为9×10¹⁸ cm^-3，尺寸为2 mm×6 mm×6 mm。在77 K时，Fe²⁺∶ZnSe激光器获得了840 mW的4.14 μm连续激光输出,最大斜效率达到了47%，光束质量M²≤1.2。该实验采用两台泵浦源和双端面同步泵浦的技术方案有效提升了泵浦能量，获得了较高的平均功率输出，但实验中Fe²⁺∶ZnSe晶体需采用液氮制冷(室温条件无法工作)，使得其装置变得复杂，实用性受限。

图 3 双端面泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器实验原理图Fig.3 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser with double end pump

图选项

2013年，俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的Frolov采用闪光灯泵浦自由运转的Er∶YAG激光器，获得了高达8 J的2.94 μm脉冲泵浦源。运用该泵浦源泵浦Fe²⁺∶ZnSe晶体(掺杂浓度为2.6×10¹⁸ cm^-3，尺寸为8 mm×8 mm×8 mm)，在85 K的温度下获得了2.1 J的4.1 μm激光，其光-光转换效率达到35%，斜效率达到51%；在温度为245 K(采用热电制冷可以获得该温度)时，实现了1.3 J的激光输出，其光-光转换效率达到23%，斜效率达到19%，实验装置如图4所示^[24]。受益于该泵浦源的自然尖峰脉冲特性，在295 K时实现了中红外4.5 μm的激光输出，此时泵浦阈值为1.8 J，最大单脉冲能量为42 mJ。这是目前固体激光器泵浦Fe²⁺∶ZnSe晶体获得的最高输出指标。该实验虽然采用了频率稳定性及幅值稳定性较差的脉冲泵浦源，但获得了较高的能量输出，验证了Fe²⁺∶ZnSe激光器具有实现焦耳量级能量输出的能力。

图 4 自由运转Er∶YAG激光器泵浦的Fe2+∶ZnSe激光器实验原理图Fig.4 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by free-running Er∶YAG laser

图选项

2014年，华北光电技术研究所联合哈尔滨工业大学报道了Fe²⁺∶ZnSe激光器^[25]研究成果。他们以热扩散掺杂技术制备了Fe²⁺∶ZnSe晶体，掺杂浓度为1.27×10¹⁸cm^-3，晶体尺寸为4 mm×4 mm×2 mm。采用波长为2.9 μm、重复频率为1 kHz的泵浦源，当抽运功率为为1.4 W时，获得了中心波长为4.45 μm，脉冲宽度为25 ns，平均功率67 mW的室温中红外激光输出。这是国内首次报道Fe²⁺∶ZnSe固体激光器的实验结果。

受限于Er³⁺离子较长的低能级寿命和较低的泵浦效率，目前研制室温高能量、窄脉宽、高重频的固体Er∶YAG激光泵浦源(2.94 μm)遇到了较大困难。考虑到Fe²⁺∶ZnSe晶体的吸收谱较宽(2.5～4.0 μm)，采用其它泵浦源替代Er∶YAG光源实现Fe²⁺∶ZnSe中红外激光室温输出备受关注。

2014，俄罗斯实验物理研究所的Velikanov首次报道了采用化学HF激光泵浦的Fe²⁺∶ZnSe激光器，实验装置如图5所示^[26]。非链式化学HF激光器在2.6~3.1 μm范围内拥有数十条谱线，均在Fe²⁺∶ZnSe晶体的吸收谱范围内，且高压脉冲放电产生的激光脉冲宽度约为100～200 ns，非常适合于泵浦上能级寿命较短的Fe²⁺∶ZnSe激光器^[27, 28]。他们采用掺杂浓度高达10²⁰ cm^-3的Fe²⁺∶ZnSe晶体，受辐射截面为12 mm×7 mm时，室温条件下获得的最大中红外激光脉冲能量为30.6 mJ，光光转换效率为4.7%。

图 5 HF激光泵浦的室温Fe2+∶ZnSe激光器实验原理图Fig.5 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by HF laser at room temperature

图选项

2014年，俄罗斯科学院普通物理研究所Firsov验证了室温条件下采用化学HF激光泵浦Fe²⁺∶ZnSe激光器，实现更高能量输出及光光转换效率的可行性，实验方案如图6所示^[14]。通过优化HF泵浦激光的光斑尺寸提升了室温下Fe²⁺∶ZnSe激光器输出性能，当泵浦光斑尺寸为6.8 mm×7.5 mm时获得了最大单脉冲能量为192 mJ，相应的斜效率为29%；激光泵浦阈值为0.14 J/cm²，Fe²⁺∶ZnSe晶体的损伤阈值为3 J/cm²。后来，Firsov还验证了室温条件下采用重复频率HF/DF激光泵浦Fe²⁺∶ZnSe激光器的可行性^[29]。在室温200 Hz的条件下，采用重复频率非链式HF激光(2.6~3.1 μm)和DF激光(3.5~4.1 μm)泵浦Fe²⁺∶ZnSe晶体，分别获得了1.2 W、0.7 W的4~5 μm中红外激光输出。采用非链式脉冲HF/DF激光器泵浦Fe²⁺∶ZnSe晶体易于在室温条件下实现中红外激光输出，验证了Fe²⁺∶ZnSe激光器在室温条件下实现高能量输出的可行性，但化学HF/DF激光器结构非常庞大、造价高，不利于在工程上推广应用。

图 6 高能量HF激光泵浦的室温Fe2+∶ZnSe激光器实验原理图Fig.6 Schematic diagram of Fe2+∶ZnSe laser pumped by high energy HF laser at room temperature

图选项

PPLN晶体具有较高的非线性系数(d₃₃=27.4 pm/V)、物化性能稳定及不易潮解等优点，是非常理想的非线性晶体。近年来，PPLN晶体MgO掺杂技术的应用大大提高了PPLN晶体的光折变损伤阈值(MgO∶PPLN晶体的抗光折变损伤能力是未掺MgO的PPLN的100倍)。这些特性使得基于MgO∶PPLN的准相位匹配OPO具有高效率、高功率、窄线宽、高光束质量中红外激光输出的潜能。通过控制MgO∶PPLN的极化周期、温度，可实现3~5 μm全波段可调谐输出，图7给出了泵浦波长为1 064 nm时MgO∶PPLN晶体极化周期和温度调谐曲线。

图 7 基于MgO∶PPLN的OPO波长随晶体极化周期、温度调谐曲线Fig.7 Output wavelength tuning curves of MgO∶PPLN OPO with polarized periods and temperature

图选项

基于MgO∶PPLN的OPO出现较早，受益于其输出波长的可调谐性和易于实现全固态输出，该激光器的发展一直备受关注。近年来，随着高功率光纤泵浦源及大尺寸MgO∶PPLN晶体生长工艺的发展，基于MgO∶PPLN的OPO激光输出能量逐步提升。现将近年来的几个较为重要的成果及发展历程介绍如下。

2009年，华中科技大学夏林中等人以1.064 μm的Nd∶YAG激光器为泵浦源，采用MgO∶PPLN为OPO晶体实现了中红外激光输出^[30]。声光调Q Nd∶YAG激光器脉宽为150 ns,重复频率为10 kHz,输出平均功率为8.17 W。MgO在PPLN晶体内的掺杂浓度为5%，晶体尺寸40 mm×10 mm×2 mm，晶体极化周期范围为26～31 μm，调谐增量为0.5 μm。受限于晶体的生长工艺，很难生长出大尺寸MgO∶PPLN晶体，为此他们将两块2 mm厚的晶体并联以增大MgO∶PPLN晶体体积，其实验原理如图8所示。联合极化周期和温度调谐，实现了闲频光在3～4.95 μm范围内可调谐输出。最大闲频光输出功率为2.23 W(波长为3.344 μm)，光光转换效率为27.4%。该实验展示了Nd∶YAG激光泵浦的OPO中红外激光的输出能力，并指明MgO∶PPLN晶体尺寸是限制中红外OPO激光输出功率的主要因素。因此，采用多块MgO∶PPLN晶体并联的技术方案可有效提升激光器的光-光转换效率。

图 8 双MgO∶PPLN的中红外OPO实验原理图Fig.8 Experimental setup of the OPO based on twin-MgO∶PPLN cascaded

图选项

2010年，西班牙光子科学研究所Kokabee等人报道了一种皮秒中红外OPO激光器，其实验装置如图9所示^[31]。泵浦光为被动锁模掺镱光纤激光器(1 064 nm)，重复频率为81.1 MHz，脉冲宽度为20.8 ps，最大泵浦功率为20 W。MgO∶PPLN晶体为台湾HC公司提供，晶体长度为50 mm，厚度为1 mm，极化周期范围28.5~30.5 μm。他们采用了四镜驻波腔提升了OPO激光的提取效率，在16 W的泵浦功率时，获得了7.1 W(1.47 μm)的信号光和4.9 W(3.08 μm)的闲频光，总提取效率达到了68%，激光脉冲宽度为17.3 ps。2013年，他们通过增加驻波腔腔长ΔL=L₀/Q(L₀为相应于泵浦光重复频率的基础腔长，Q为OPO输出相应于泵浦光的Q次谐波)，实现了中红外激光输出重复频率增加，在泵浦光为80 MHz时，实现了7 GHz的中红外激光输出^[32]。2014年，他们还报道了采用两块MgO∶PPLN晶体共用一个六镜驻波腔实现双信号光、双闲频光同步可调谐输出的技术方案，能量提取效率达到了44%^[33]。他们的实验研究展示了OPO激光器在超短脉冲、超高频率方面的输出能力和四镜(六镜)驻波腔双谐振输出在提升激光能量提取效率方面的优势，但该实验装置对加工、装调的精准度要求极高，同时对环境(温度、振动等)也有苛刻的要求，工程上难以实现。

图 9 光纤泵浦的ps中红外OPO激光器Fig.9 Mid-infrared ps OPO laser pumped by fiber laser

图选项

2013年，法国约瑟夫傅立叶大学的Kemlin等人报道了。晶体尺寸为5 mm×16 mm×40 mm的MgO∶PPLN OPO激光器^[34]，调谐周期为28 μm，晶体端面加工成柱面，如图10所示。他们通过旋转晶体改变了晶体的有效调谐周期(d_eff=d/cosθ，入射角θ变化范围0～30°)，通过旋转晶体，他们在室温(21 ℃)条件下实现了1.4～4.3 μm全波段可调谐输出。该实验展示了大体积MgO∶PPLN晶体在室温条件下的OPO性能，为提升中红外OPO激光输出水平奠定了基础。

图 10 大体积MgO∶PPLN晶体Fig.10 Large bulk MgO∶PPLN crystal

图选项

2014年，山东大学刘善德等人报道了有益于工程化的单谐振腔中红外OPO激光器，其实验装置如图11所示^[35]。泵浦源掺镱光纤激光器的输出功率为20 W，波长为1 064 nm，光束直径为6 mm，M²因子为1.01。多级MgO∶PPLN晶体尺寸为50 mm×1 mm，极化周期范围为28.5~31.5 μm，周期递增量为0.5 μm。通过极化周期和温度调谐，实现了闲频光在3.0~3.9 μm范围内连续调节。在3.0 m波长处获得了3 W的中红外激光输出，在中红外常用的3.8 μm波长处获得了近1 W的激光输出，光-光转换效率高于10%。该实验展示了单谐振OPO激光器的输出性能，并指出泵浦源输出功率是限制中红外OPO激光输出功率的主要因素。该实验采用了功率提升潜力较大、光束质量较好的光纤激光泵浦，结构、装调较为简易，非常利用工程实现。

图 11 光纤泵浦的单谐振中红外OPO激光器Fig.11 Single-resonator mid-infrared OPO laser pumped by Yb-Fiber laser

图选项

ZnGeP₂晶体是重要的红外非线性光学材料，它具有非常高的非线性系数(d₁₄=75.0 pm/V)、良好的热导率和弱热透镜效应，其光损伤阈值达到30 GW/cm²。由于ZnGeP₂晶体优异的性能，利用它作为OPO的非线性光学频率转换材料，可实现中红外激光器的全固态化、大功率输出。但是该晶体中本征点缺陷引起的光吸收和光散射将导致它在近红外1~2 μm波段透过率较低^[36]，因此，为了获得高平均功率输出，一般采用波长大于2 μm的泵浦源(Ho∶YAG固体激光器和KTP OPO)。近年来，为了简化激光器结构，提升稳定性，研究人员采用掺铥光纤激光器(1.9 μm)直接泵浦ZnGeP₂。表1给出了最新报道的中红外ZnGeP₂ OPO的主要参数。

中红外固体激光器是最有希望获得高功率激光输出的小体积激光器件。目前Fe²⁺∶ZnSe、MgO∶PPLN OPO和ZnGeP₂ OPO固体激光器均在中红外波段实现了激光输出，输出水平逐渐提升，且两种激光器均有较大的发展空间。

Fe²⁺∶ZnSe激光器室温时上能级寿命较短，这对其泵浦源脉冲宽度提出了较高的要求。俄罗斯科研工作者采用化学HF/DF激光器作为泵浦源有效解决了泵浦难题，在室温条件下，实现了Fe²⁺∶ZnSe激光器较高的能量输出。但HF/DF激光泵浦的Fe²⁺∶ZnSe激光器具有体积大、结构复杂的缺点，因此室温全固态高功率中红外Fe²⁺∶ZnSe固体激光器成为其发展方向。

基于MgO∶PPLN的OPO固体激光器发展较早，目前国内外科研工作者均采用极化周期及温度调谐的技术手段实现了全波段可调谐输出。受MgO∶PLN晶体生长工艺的限制，难以获得大体积、高质量的非线性晶体，且该晶体光损伤阈值较低，这些因素都大大限制了泵浦光注入能量，也成为限制中红外OPO高功率激光输出的瓶颈技术。目前OPO激光光学变换常用的泵浦光λ_p波长为1 064 nm，其信号光λ_s辐射波长为1.3～1.6 μm，而中红外激光为闲频光λ_i，其波长涵盖3.0～5 μm。由于三波(泵浦光、信号光、闲频光)变换满足能量守恒，即：1/λ_p=1/λ_i+1/λ_s，一个泵浦光子通过非线性过程转换成一个信号光子和一个闲频光子，由于波长越短，单光子能量越高，因此OPO过程中波长较短的信号光占据多数泵浦能量，这就限制了闲频光的光-光转换效率。采用波长更长的泵浦光可有效提升中红外闲频光的光-光转换效率。综上所述，基于MgO∶PPLN晶体的OPO固体激光器发展方向为研制大体积、高质量的MgO∶PPLN晶体和输出波长更长的红外高功率激光泵浦源。

基于ZnGeP₂的OPO固体激光器发展较为成熟，目前采用该技术获得了最高功率的中红外固体OPO输出。但是ZnGeP₂ OPO实现过程较为复杂，通常的技术方案为采用半导体激光泵浦掺铥激光晶体获得1.9 μm激光，进而运用该1.9 μm铥激光泵浦掺钬激光晶体获得2.1 μm激光，最后用2.1 μm钬激光泵浦ZnGeP₂晶体实现中红外OPO输出。多级泵浦体制限制了ZnGeP₂ OPO稳定性、可靠性，增加了成本及技术复杂度。掺铥光纤激光器直接泵浦ZnGeP₂ OPO实现了中红外输出，虽然目前该方案输出功率较低，但是省去了铥激光泵浦钬激光这一中间过程，简化了激光器结构，是未来ZnGeP₂ OPO的发展方向。

纵观近年来Fe²⁺∶ZnSe激光器和基于MgO∶PPLN、ZnGeP₂晶体的OPO固体激光器的发展，它们的输出功率、光光转换效率、波长调谐等方面都取得了长足的进步。Fe²⁺∶ZnSe激光器是一种新型的固体激光器，目前美国和俄罗斯的发展水平最高，俄罗斯采用了化学HF/DF激光泵浦Fe²⁺∶ZnSe激光器，获得了室温高峰值功率中红外激光输出。基于MgO∶PPLN晶体的OPO固体激光器采用准相位匹配技术，克服了三波耦合过程的走离效应，获得了较高的光光转换效率。基于ZnGeP₂晶体的OPO是目前获得平均功率最高的中红外固体激光输出的技术途径。在中红外固体激光器发展过程中，上述激光器在激光输出功率提升方面均有较大的空间，相信随着晶体生长工艺的提升及高功率短波红外激光泵浦源的发展，中红外固体激光器输出功率水平还将稳步提升。