单纵模运转的全固态2 μm脉冲激光器以其高稳定性、窄线宽和优良的光束质量等优势，可作为多普勒测风、相干差分吸收等激光雷达应用的优质光源，在工业、国防和科研等领域具有重要意义。河北工业大学先进激光技术研究中心吕志伟教授团队结合本团队工作，对该技术的原理与特点进行分析、总结与展望，该综述被选为《红外与激光工程》期刊封面论文，发表在2024年第2期。
撰稿人：颜秉政，白振旭，穆西魁
论文题目：2 μm单纵模全固态脉冲激光技术研究进展(封面文章·特邀)
作者：颜秉政，穆西魁，安嘉硕，齐瑶瑶，丁 洁，白振旭，王雨雷，吕志伟
完成单位：河北工业大学 先进激光技术研究中心;河北省先进激光技术与装备重点实验室
导读
2 μm激光位于人眼安全的波段范围内，它具有出色的大气透过率和水分子吸收特性，能够覆盖CO2等温室气体的吸收峰，因此在大气环境监测、光通信、激光雷达、材料加工、医疗手术等领域都有着广泛的应用前景。例如，在高精度手术中2 µm激光是理想的选择，这是由于水分子对2 µm波长的吸收率极高，且对皮肤组织具有微小而精确的穿透深度，因此在实现组织的消融或去除时的损伤区域非常小，能有效抑制手术过程中的出血，如图1所示。此外，单纵模运转的全固态2 μm脉冲激光器以其高稳定性、窄线宽和优良的光束质量等优势，成为了多普勒测风、相干差分吸收等激光雷达应用的优质光源，对工业、国防和科研等领域具有重要的意义。本文总结了常用的2 μm固体激光增益介质，分析了空间结构振荡器单纵模选择的原理和特点，综述了2 μm单纵模全固态脉冲激光的研究进展，并对不同结构激光器的输出特性进行了比较，最后对2 μm单纵模全固态脉冲激光的发展前景进行了展望。期望通过本综述为开展中红外激光的研究和应用人员提供参考。
图1. 不同波长下的水吸收和组织穿透深度
(Edmund Optics Ltd. | www.edmundoptics.com)
研究背景
近年来，中红外激光技术开始展现出独特的应用前景，2 μm单纵模激光器作为相干差分吸收激光雷达、多普勒测风雷达等激光雷达应用的优质光源，在大气温室气体探测、工业以及国防等领域发挥着重要的作用。而2 μm的固体激光器具有能量高、稳定性好、工作寿命长、输出光束质量好、波长覆盖范围广的优点，尤其适用于高能量脉冲激光领域。通过使用光参量振荡等非线性频率转换技术或者直接泵浦掺杂Tm3+或Ho3+的增益介质，均可以获得2 µm固体激光输出。然而，光参量技术中存在较为严重的光谱线宽展宽效应，从而难以实现激光单纵模输出。所以，通常采用直接泵浦的方式获得2 µm单纵模激光，这就需要对掺Tm3+或掺Ho3+激光器采取特殊的选模方法，如对谐振腔进行特殊设计或插入特定选模元件。
本文结合2 μm单纵模全固态脉冲激光器在各领域的应用，归纳了常见2 μm固体激光增益介质光谱特性，综述了2 μm全固态脉冲环形腔激光技术、扭转模腔激光技术、VBG激光技术、种子注入激光技术的研究进展，总结分析了各种技术的输出特性，并对2 μm单纵模全固态脉冲激光器的未来发展作了展望。
主要内容
2 μm固体激光增益介质
激光增益介质的理化性质由基质材料决定，光谱特性则主要由掺杂的激活离子决定。Tm3+和Ho3+激活离子的发射波长均在2 μm附近，属于准三能级系统。目前，2 μm固体激光器常用的增益介质主要有Tm:YAG、Tm:YAP、Tm:YLF、Ho:YAG、Ho:YLF等，具体参数见表1。其中，Tm3+掺杂晶体的吸收波长与GaAlAs半导体激光器的工作波长相匹配，且发射波长在1.8~2.1 μm间可实现连续调谐，但其发射截面较小、上能级寿命较短。与之相比，Ho3+掺杂晶体发射截面较大、荧光寿命较长，易实现高脉冲能量2.1 μm激光输出，但是缺少成熟的商用半导体激光器，常用掺Tm3+激光器泵浦。
表1. 常见2 μm固体激光增益介质光谱特性
固体激光单纵模选择方法
目前针对固体激光器的单纵模选择技术主要包括环形腔法、扭转模腔法、体布拉格光栅法(VBG)和种子注入法等，部分结构原理如图2所示。由于腔内驻波场引起的空间烧孔效应，光强在空间中分布不均匀，激光器会输出多纵模激光。为了消除空间烧孔效应，通常在谐振腔内加入隔离器等单向选通元件，谐振腔一般采用环形腔结构，可以保证振荡器稳定的单向运转，即形成行波谐振腔，从而实现激光单纵模输出。扭转模腔法同样是消除空间烧孔效应的常用方法，其主要是利用两个快轴相互垂直的波片与偏振片相结合，进而使增益介质中的光场不再处于驻波模式，达到单纵模运转的目的。VBG是一种常用的光谱滤波元件,有着良好的角度选择性和波长选择性，任何不符合布拉格条件的角度或波长变化都将导致其衍射效率的显著下降、腔内损耗增加，从而使特定波长在腔内振荡、实现纵模的选择。种子注入技术是将稳定的单纵模种子激光注入到从属激光器中进行选模和放大的技术，其基本原理为将单纵模种子激光注入谐振腔中，并通过压电陶瓷换能器等器件控制谐振腔长度变化。由于注入的种子光比腔内自由振荡光更具优势，因此从腔中与种子光频率最接近的模式会优先起振。当检测到谐振腔内种子光和振荡光谐振匹配时，Q开关工作，从而输出窄线宽、高能量的单纵模脉冲激光。
图2. 环形腔与扭转模腔单纵模固体激光器结构示意图
2 μm单纵模全固态脉冲激光器研究进展
近年来，基于单向环形腔的2 μm单纵模全固态脉冲激光器研究主要集中在美国兰利研究中心、哈尔滨工业大学等单位，其特点是腔形设计灵活，可以在较宽的波长范围内获得较高的输出功率，但其结构复杂且光路元件较多，较多的反射镜也会造成一定的激光能量损耗。扭转模腔全固态激光器以其简单的结构、较低的阈值电压，较高的单纵模率及较好的频率稳定性，已经成为一种良好的单纵模选择方案。但是该方案对腔内偏振态的变化十分敏感，因此，受到增益介质热致双折射等因素的影响，激光器的单纵模率和高功率输出受到了一定的限制。环形腔与扭转模腔2 μm单纵模固体脉冲激光器结构如图3所示。反射式和透射式VBG都可以用于模式选择，使用具有高衍射效率的体布拉格光栅可以实现在特定波长处的高反射/透射率，将输出波长锁定并压缩线宽。此外，可以通过光栅周期的横向啁啾实现可调谐波长输出。目前，西北大学、哈尔滨工业大学以及法国萨克雷大学等单位都报道过基于体布拉格光栅的2 μm单纵模全固态脉冲激光器，然而，体布拉格光栅法的缺点也很明显，比如光栅孔径难以做大、损伤阈值较低，价格较高等。
图3. 环形腔与扭转模腔2 μm单纵模固体脉冲激光器结构示意图
常见的种子注入技术有扫描-触发技术(ramp-fire)、扫描-保持-触发技术(ramp-hold-fire)等，部分结构如图4所示。基于种子注入法的2 μm单纵模全固态脉冲激光器的报道是最多的，由此可以看出种子注入法的巨大优势。但种子注入的结构及控制系统比较复杂，因此应当根据实际使用情况选择合适的种子源和种子注入技术。
图4. 几种种子注入结构的2μm单纵模固体脉冲激光器示意图
