中红外激光及其应用

康斯坦丁·沃多比亚诺夫（Konstantin L.Vodopyanov）是中佛罗里达大学光学与光子学学院（CREOL）的光学与物理学方向讲席教授及研究教授，是美国光学学会（OSA）、国际光学工程学会（SPIE）、美国物理学会（APS）以及英国物理学会（IOP）的会员。沃多比亚诺夫教授是中红外激光、激光与物质相互作用、非线性光学和激光光谱学领域的***专家。他开发了包括超宽带频率梳在内的多种新型激光光源、光学参量设备以及中红外和太赫兹波的产生方法；撰写了相关领域技术论文400多篇，并担任了书籍《固态中红外激光源》（Springer，2003）的联合编辑。他对非线性效应在中红外和太赫兹波产生过程中的应用、频率梳在光谱上的应用、纳米红外光谱学和激光在生物医学中的应用等研究方向有极大的兴趣。

1 中波红外光谱范围

1.1 中波红外的定义

1.2 世界第二台激光器

1.3 分子的内部振动

参考文献

2 中波红外固态晶体激光器

2.1 基于稀土元素掺铥（Tm3+）、掺钬（Ho3+）和掺铒（Er3+）激光器

2.1.1 掺铥激光器

2.1.2 掺钬激光器

2.1.3 掺铒激光器

2.2 掺过渡金属铬（Cr2+）和铁（Fe2+）激光器

2.2.1 Cr2+和Fe2+的光谱特性

2.2.2 掺铬硫族化合物晶体激光器

2.2.2.1 宽调谐掺铬激光器

2.2.2.2 高功率连续波掺铬激光器

2.2.2.3 2.94μm高功率掺铬连续激光系统

2.2.2.4 增益开关高功率掺铬激光器

2.2.2.5 微片掺铬激光器

2.2.2.6 波导和薄片Cr：ZnSe激光器

2.2.2.7 锁模Cr：ZnS/Cr：ZnSe激光器

2.2.3 掺铁硫族化合物晶体激光器

2.2.3.1 自由运行脉冲Fe：ZnSe/ZnS激光器

2.2.3.2 室温下掺铁激光器的增益切换机制

2.2.3.3 连续波掺铁激光器

2.2.3.4 室温可调谐掺铁激光器

2.2.3.5 3.8～4.8μm范围内的超快放大器

2.3 总结

参考文献

3 中波红外光纤激光器

3.1 简介

3.2 连续波中波红外光纤激光器

3.2.1 掺铥光纤激光器

3.2.2 掺钬光纤激光器

3.2.3 掺铒光纤激光器

3.2.4 掺镝光纤激光器

3.2.5 拉曼光纤激光器

3.3 中波红外调Q光纤激光器

3.4 中波红外锁模光纤激光器

3.5 总结

参考文献

4 半导体激光器

4.1 中波红外异质结激光器

4.1.1 锑化镓（GaSb）二极管激光器

4.1.2 基于GaSb的分布式反馈激光器

4.2 量子级联激光器

4.2.1 高功率和高效率QCL

4.2.2 单模分布反馈式QCL

4.2.3 外腔式、宽调谐的QCL

4.2.4 短波长QCL（(4pμm）

4.2.5 长波长QCL（16～21pμm）

4.3 带间级联激光器

4.4 光泵浦半导体圆盘激光器（OPSDL）

4.4.1 基于AlGaIn/AsSb材料体系的OPSDL（2=2.3μm）

4.4.2 基于PbS材料体系的OPSDL（2=2.6～3μm）

4.4.3 基于PbSe材料体系的OPSDL（1～4.2～4.8μm）

4.4.4 基于PbTe材料体系的OPSDL（1～4.7～5.6μm）

4.5 总结

参考文献

5 基于非线性频率变换的中波红外激光

5.1 二阶非线性下变频的两种方法

5.1.1 差频生成效应（DFG）

5.1.2 光学参量振荡器（OPO）

5.1.3 中波红外X（2）非线性晶体简介

5.1.3.1 周期性极化氧化物

5.1.3.2 双折射晶体

5.1.3.3 新兴QPM非线性光学材料

5.2 连续波机制

5.2.1 连续波辐射的差频发生

5.2.2 连续波光学参量振荡器

5.3 脉冲机制

5.3.1 脉冲差频生成

5.3.2 脉冲光学参量振荡器

5.3.2.1 宽调谐脉冲OPO

5.3.2.2 窄带脉冲OPO

5.3.2.3 高平均功率OPO

5.3.2.4 高脉冲能量OPO

5.3.2.5 波导OPO

5.4 超短（皮秒和飞秒）脉冲机制

5.4.1 超快差频生成（DFG）

5.4.2 脉内差频生成（光学整流）

5.4.3 超快光学参量振荡器

5.4.3.1 皮秒模式

5.4.3.2 飞秒模式

5.4.4 超快光参量发生器

5.4.5 超快光参量放大器

5.5 拉曼频率转换器

5.5.1 晶体拉曼转换器

5.5.2 光纤拉曼转换器

5.5.3 硅基拉曼转换器

5.5.4 金刚石拉曼转换器

5.5.5 其他拉曼转换器

5.6 总结

参考文献

6 超连续谱和频率梳光源

6.1 超连续谱光源

6.1.1 基于铅硅酸盐玻璃光纤的超连续谱

6.1.2 基于亚碲酸盐光纤的超连续谱

6.1.3 基于ZBLAN光纤的超连续谱

6.1.4 基于硫族化合物光纤的超连续谱

6.1.5 基于波导的超连续谱

6.1.6 基于块状晶体的超连续谱

6.1.7 其他超连续谱来源

6.2 光学频率梳光源

6.2.1 来自锁模激光器的直接梳状光源

6.2.2 基于非线性光纤和波导的光学频率梳

6.2.3 基于差频生成的频率梳

6.2.4 基于光参量振荡（OPO）的光学频率梳

6.2.5 基于光学次生谐波的光学频率梳

6.2.6 基于微谐振腔的克尔光学频率梳

6.2.7 基于量子级联激光器的光学频率梳

6.2.8 基于带间级联激光器的光学频率梳

6.3 总结

参考文献

7 中红外应用

7.1 光谱传感与成像

7.1.1 用于光谱和痕量气体分析的量子级联激光器

7.1.2 带间级联激光器光谱学

7.1.3 差频发生（DFG）和光学参量振荡器（OPO）光谱学

7.1.4 频率梳宽带光谱学

7.1.5 高光谱成像

7.2 医疗应用

7.2.1 激光与人体组织的相互作用

7.2.1.1 钬、铥外科激光器

7.2.1.2 Er：YAG激光器（2=2.9μm）

7.2.1.3 6～7μm光谱波段的重要性

7.2.2 医学呼气分析

7.2.2.1 乙烷（C2H6）

7.2.2.2 一氧化氮（NO）

本书对中红外光的定义较为宽泛，即波长在2～20μm的红外光，考察了光子学的各个领域中多种最先进的红外光产生方法：基于稀土和过渡金属的固态激光器、光纤激光器、半导体激光器（包括亚带内和亚带间级联激光器）、非线性光学频率转换器（包括差频发生器、光参量振荡器和放大器以及拉曼转换器）。本书还讨论了几项新技术，如在微谐振器、波导和微结构光纤中产生“白光”和频率梳。本书在最后一章中概述了中红外最重要的应用领域，如化学传感和成像（包括纳米成像）、医学和国防应用、等离子体学、极端非线性光学、阿秒科学和粒子加速等。对于自由电子激光、CO2和C0气体激光器、同步辐射和低温铅盐半导体激光器等成熟领域，读者可以在已发表的资料中找到相关内容，本书不再多作介绍。