**章绪论
自1960年美国休斯实验室的T. H. Maiman成功研制出波长694.3nm的红宝石激光器以来［1］，激光技术由实际需求和不断深入的理论研究推动，六十余年来在技术和应用方面迅猛发展，并与大量学科结合形成多个应用领域，如激光制造技术、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光武器、非线性光学、超快激光学、激光医疗与光子生物学、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、激光同位素分离、激光可控核聚变等。激光技术是20世纪*具革命性的科技成果之一。
根据工作物质的不同，气体、固体、半导体和光纤激光器各自具有优势，可在不同的应用场景发挥*特的作用。随着激光增益介质的不断增加优化和泵浦技术的发展，发射的激光波长逐渐覆盖了紫外到中红外各个波段。其中，中红外激光以位于大气传输窗口、水吸收比较强烈、包含大量的分子吸收峰等特点引起了广泛关注，在光谱学、生物医疗、遥感、国防等许多领域都有着重要的应用前景。而中红外光纤激光更是具有光束质量好、转换效率高、系统结构简单紧凑、便于盘绕、热管理方便等优势，是国内外研究的热点。
光纤激光的增益介质主要是含有掺杂稀土离子的不同基质材料光纤，常见的稀土离子有镱（Yb3＋）、铒（Er3＋）、铥（Tm3＋）、钬（Ho3＋）、镝（Dy3＋）等，常见的光纤基质材料有硅酸盐玻璃（石英）、氟化物玻璃和硫系玻璃。二者结合，可以实现大范围波长的输出，其中基于硅酸盐玻璃的光纤具有性能稳定、损耗低、强度好、制备技术成熟等优点，被大量应用于近红外波段光纤激光器。但是，硅酸盐玻璃的缺点在于声子能量高达1100cm－1左右，对于波长大于2.2μm的光有很强的吸收，导致光纤传输损耗急剧增加。氟化物玻璃和硫系玻璃等“软玻璃”材料声子能量较低，对应光纤传输带范围更宽，比硅酸盐玻璃在中红外波段更有优势，但目前制备工艺还不成熟，并受限于稀土离子的种类较少，报道的中红外输出波长都集中在4μm以下，而且存在材料昂贵、强度差、化学稳定性差、易于潮解、高功率输出不耐受等亟待解决的问题，离实际应用需求还有较大差距。
基于空芯光纤（hollowcore fibers， HCF）的气体激光器是近年来出现的新型激光器，结合了光纤激光器和气体激光器的优势。通过设计在泵浦波段和激光波段具有低传输损耗的HCF，并充入合适的气体增益介质，能够有效实现中红外波段的激光输出，为中红外激光波长拓展和功率提升提供了新思路。
1.1中红外激光概述
1.1.1中红外波段的定义
空间传播的交变电场为电磁波，依照波长的不同，电磁波谱可大致分为无线电波（波长1～105 m）、微波（波长10－3～1m）、红外线（波长0.76～103 μm）、可见光（波长390～760nm）、紫外线（波长10～390nm）、X射线（波长10－2～10nm）、伽马射线（波长10－5～10－2 nm）。中红外波段是指处于红外线波长范围内的某一波段，由于应用需求存在差异，不同领域对中红外波长范围有着不同的定义。国际照明协会把中红外定义为3～1000μm波段，军事上则一般限定3～5μm为中红外、5～10μm为远红外，天文学意义上中红外为5～40μm。在激光技术领域中，学术期刊Optics Express 2020年的特辑MLT（midinfrared， longwave infrared， and terahertz photonics）将中红外范围宽松地定义为2 ～50μm［2］，地球科学词典（www.encyclopedia.com）则将中红外波段定义为从8 ～14μm，尽管该波段被其他研究人员命名为长波红外（longwavelength infrared， LWIR）［2］，国际标准化组织（International Organization for Standardization， ISO）则把3μm当作中红外波段的短波边界。中红外光纤激光领域的知名专家S. D. Jackson为了与大量研究中红外激光或探测器的论文作者一致，并考虑到光纤激光的特点，认为对于小于2.5μm的波长，硅酸盐玻璃是光纤基质中的主要材料，所以将中红外定义扩展到2.5μm，这样可以区分光纤基质材料硅酸盐玻璃和用于中红外波段的各种软玻璃［3］。这样的划分在光纤激光领域十分合适，因此本书也采用此观点，主要介绍波长介于2.5 ～5μm的中红外激光。
1.1.2中红外激光的产生
目前，产生中红外激光的技术方案主要有掺杂离子直接发射、非线性频率转换、半导体激光、量子级联激光、气体激光、自由电子激光和随机激光等。本节根据工作原理对中红外激光的产生进行简要介绍。
1. 掺杂离子直接发射
掺杂离子直接发射通过离子间的能级跃迁来发射中红外波段光子。优异的激活离子具有下述三个特性： ① 具有*特的电荷状态和自由离子结构，即有能级结构，有亚稳态。② 激发离子应具有一定的发射截面。根据离子的发射谱可知，发射截面是反比于发射线宽的，即谱线越尖锐，发射截面越大，激光阈值越小。当然在要求具有大能量存储能力的被动调Q激光器和要求具有宽荧光线的超快锁模激光器中还应对激活离子的特性进行适当取舍。此外，激活离子应具有强的吸收带宽以便提高泵浦效率。③ 高的荧光量子效率对于获得高效激光来说是不可缺少的。
综合上述特点，常用的固态激光激活离子主要有稀土离子和过渡金属离子两种。可以直接发射中红外激光的稀土离子主要包括Er3＋、Tm3＋、Ho3＋、Pr3＋及Dy3＋；过渡金属离子目前研究较多的主要是Cr2＋、Fe2＋、Ni2＋及Co2＋。稀土掺杂的基质既可以是晶体、陶瓷，也可以是光纤材料，这就扩大了稀土离子的应用范围。尤其是稀土离子掺杂的光纤激光器发展迅猛，已经占据激光市场的主导地位。一般来讲，稀土离子的能级丰富，同一种离子具有多个发射峰，这也为实现多波长激光运转提供了便利条件。对于中红外激光乃至整个激光行业来说，稀土离子直接产生的激光一直以来占有绝对的主导地位。对于发射中红外波长的Cr2＋、Fe2＋两种过渡金属离子来说，基质一般是半导体材料，只存在两个能级，因此不存在激发态吸收效应和上能级转换效应，发射激光过程中产生的热相对较少。另外，由于离子约束带作用，使晶格的热振动比较强烈，或者说电子与声子有很强的相互耦合，*终导致很宽的吸收谱线和增益谱线。因此，这类激活材料常用于可调谐激光器和超快激光器。
2. 非线性频率转换技术
虽然离子直接发射技术有很多优点，但是受限于材料本身的特性，只能获得某些特定波段的激光输出，这就限制了它的实际应用范围。利用非线性激光技术可以将离子直接发射产生的激光进行频移，从而有效地扩展激光波段。常用来产生中红外激光的非线性激光技术包括二阶的和频、差频、光参量振荡，以及三阶的受激拉曼散射技术等。例如，CO2激光器的倍频，利用光参量振荡技术来产生中红外波段可调谐激光输出等。对于非线性频率转换技术而言，一般要求基频光具有较高的峰值功率，非线性频率转换特性主要是由非线性材料决定的，对于非线性光学材料一般要求： ① 具有大的非线性极化率，即非线性系数，因为大的非线性系数对激光功率的要求会相对低一些，从而满足一些低功率激光波长的频率转换。② 良好的光学特性，包括良好的光学均匀性、宽的透光范围、易于实现相位匹配等。③ 较高的抗损伤阈值，因为非线性过程一般要求高功率激光，所以材料本身的抗击打能力是非常重要的。④ 容易获得非线性材料，生产成本低。在中红外激光领域使用较多的二阶非线性材料主要是不具有中心对称性的晶体以及超晶格材料，三阶非线性材料有气体材料、液体材料以及固态的晶体和光纤。
3. 其他中红外产生技术
半导体激光器具有体积小、寿命高、易于集成、能够高速调制等优点，在很多方面也有着重要的应用。传统基于pn结的半导体激光器主要是靠导带中的电子和价带中的空穴的复合产生辐射，通过进一步反馈形成激光。由于导带和价带较宽，因此发射光谱一般比其他方式产生的激光光谱宽得多。中红外波段的传统半导体激光器一般需要工作在低温状态，而且工作阈值很高，效率较低。量子阱技术的出现为传统半导体激光器的研究开辟了新天地。量子阱结构使得能带中的能态量子化，能够通过合理设计量子阱结构改变输出波长，不再受限于材料本身的带隙宽度，而且提高了态密度，降低了阈值，并使得Ⅲ～V族大带隙材料可以用来产生中红外波段的激光。量子级联技术的出现进一步提高了量子效率和输出功率，并拓展了输出波长范围。
自由电子激光器是激光器发展中非常重要的一个发现，其发射光谱可以覆盖从微波到X射线的广阔范围。自由电子是指通过加速器加速到接近于光速的相对论电子。相对论电子在通过极性周期性反转的磁场区域时，在粒子前进的方向上产生自发辐射，通过加入反馈就可以产生激光。通过控制入射自由电子的能量，在很宽的范围内对输出波长进行连续调谐，覆盖很多其他技术无法达到的波长范围。而且由于工作物质是电子，不会被大功率激光损坏，所以可以获得很高的功率。但是它的缺点也很明显，需要真空环境和体积巨大、价格昂贵的粒子加速装置。
中红外气体激光器也是中红外激光器发展历程中的一个重要组成部分。中红外波段的气体激光器主要通过化学能泵浦，所以被称为化学激光器。中红外化学激光器通过化学反应将化学能释放出来，通过气体分子的能级跃迁产生中红外激光辐射。化学激光器往往能够产生高功率的激光输出，但也有着工作介质有毒、不利于运输和存储等缺点。
除以上几种技术外，色心激光器因为具有非常宽的调谐范围（0.6～3.65μm），也可以作为一种产生中红外波长的手段，遗憾的是目前该类激光器大多数只能在低温下工作。
总而言之，作为应用广泛的激光波段，中红外激光的产生技术越来越多样化和高效化。
1.1.3中红外激光的应用
中红外波段激光由于位于大气吸收窗口、热辐射能量集中和包含大量的分子吸收峰等特性引起了广泛关注，在诸多领域都有重要的应用场景，相信随着更多稳定可靠、经济有效的高性能中红外激光光源的出现，中红外波段激光将会有更广泛的应用。
1. 微量气体检测
众所周知，许多有机和无机气体分子在中红外波段较近红外和可见光波段具有更强的吸收峰［4］，图1.1展示了部分气体分子在3～5μm中红外波段的吸收强度［5］，其中灰色实线背景是水汽吸收。由于气体分子振转能级特性，中红外波段吸收谱线十分密集，并且特定的吸收波长反映的是特定的气体分子特征，所以这些谱线也是鉴别诸多气体分子的“分子指纹”。根据此特点，中红外激光光源在微量气体检测中有着广泛的应用价值，可以对大气污染物、有毒气体、温室气体进行有效探测。具体来说，甲烷和乙烷作为常见的温室气体，除了在环境监测中受到关注，在石油开采、天然气管道铺设时也非常受重视，这两种气体可以通过中红外光源同时在线监测，避免潜在的危险，图1.1部分气体在3～5μm中红外波段吸收谱线［5］
高性能的中红外光源甚至可以达到百亿分之一颗粒数的监测灵敏度［6］。2020年香港理工大学靳伟研究组借助HCF提出了一种基于光纤模式相位差探测的新型激光光热光谱学气体测量技术，对乙炔气体浓度的探测下限达到了惊人的万亿分之一量级［7］，且三小时内不稳定性小于1％，将来如果实现传输范围更广的HCF，能覆盖更多重要待检测气体的吸收线，这种方式将可以通过单个传感元件实现多组分气体检测，并为医疗、环境和工业应用的超精密气体传感铺平道路，该成果入选了2020年度中国光学十大进展（应用研究类）。此外，中红外光源可对大气环境中的水汽和二氧化碳等进行监测，通过精确调节中红外光源的波长，可有效分辨同一气体的不同同位素。
2. 生物医疗
中红外波段激光作为非接触式的“手术刀”已经广泛应用于各类外科手术中，其非接触的特点具有避免交叉感染、产生创口小的优势。人体组织中含有大量的水分，水分在3μm和6.5μm中红
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