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2 μm激光器：从研究到工业应用

By Laurynas Satas, 2020

在过去的几十年里，激光已经在各种应用中变得越来越重要。技术人员通过选择合适的工具，优化参数，可以在应用中发挥最大的效率。而2 μm的激光波长由于其独特的属性，因此对配件性能要求很高。由于吸水率在1.2到2.9 μm之间稳步增长，从而使得2μm左右的波长仍然属于所谓的“人眼安全”范围，而我们知道，在角膜组织中水分占70%左右。通过在这个范围的下降，以及仍在合适的大气窗口下，波长2μm的激光操作能使整个应用范围实现自由空间通信，远程检测（大气吸收剂：水、二氧化碳、一氧化二氮等），以及在环境中的光谱技术发展，都无法独立于人的参与。

虽然我们认为这些激光对人眼是安全的，但相同的吸水线使这些激光在精确手术应用中成为首选。在直接或内窥镜医学应用中，一般只有两个重要参数：凝血和消融深度。小的凝血区可以帮助医生控制出血，大幅提升了手术质量，而大的凝血区则会干扰组织的功能。通常来说，为了能够在精确手术中确保高水平和准确性，精确控制消融深度和受影响区域就变得非常重要。

研究表明，使用的波长对生物组织的消融也很重要。这里我们可以比较两种非常流行的激光系统——Ho:YAG和Tm:YLF——发现最佳点位于2090 nm左右。而且在相同的平均功率下，Ho:YAG激光器的消融深度几乎是Tm:YLF激光器的两倍，而且凝固区也比Tm:YLF激光器小。此外，Ho:YAG激光器在不同的状态中的工作能力（连续波和带电光或声光调制器[4]的Q开关）与2090-2123 nm的调谐波长，可以实现非常出色的过程控制。

图1。采用Ho:YAG和Tm:YLF激光连续波模式(P=10 W, t=1,5，和10 s)对猪肝组织进行单点实验(纤维-组织距离d=5 mm)，消融深度、轴向凝
固深度和径向凝固边缘宽度的均值和标准差如[1]所示。

图2。不同波长[1]在水中和其他生物组织成分的吸收和穿透深度。

除此之外，其他重要的应用还包括国防安全领域。在过去20年里，全球冲突地带90%的受损飞机都是由红外制导导弹造成的。而直接红外对抗(DIRCM)系统在保护飞机免受这些热寻炮弹攻击方面，有着至关重要的作用。因此，有一套紧凑可靠的DIRCM系统就显得非常重要，因为它可以挽救飞机和机组人员的生命。通常这些系统分为两种类型：第一类是工作波长在2 μm左右的第一个大气窗口,和第二个是专为工作波长3 – 5 μm设计的第二个大气窗口。而后者是一种典型的高复杂度混合激光系统，包含以铥为基础的二极管泵浦光纤激光器、固态Ho:YAG和磷化锌锗(ZGP)光参量振荡器[3]。因此DIRCM系统的复杂性需要通过光学泵浦的多个阶段来参与解决，这就导致该系统的造价和成本非常高。

电介质镀膜

由于干涉镀膜的存在，使得光学玻璃能被加工为低损耗窗口镜或反射镜。而根据所使用的技术，镀膜密度的范围可以从多孔的到接近本体。在常规的近红外纳秒应用中，因为较低的应力，使得多孔的镀膜能够承受较高的能量密度。然而，在水吸收非常重要的的光谱区域，适用于1 μm的技术不适合用于2 μm。

有一个重要的经验法则是，波长2 μm左右最佳光学膜层密度是越高越好。而离子束溅射和磁控溅射技术则非常适合这一要求，它们能够使膜层密度和精度非常高。而且这种膜层不受环境湿度的影响，层内不含H₂O。虽然在某些设备中，可以用惰性气体密封保护光学部件，但在大气条件下，基于溅射技术的膜层才是最合适的选择。

图3。蒸发沉积产生的多孔膜层会导致吸收水分，而IAD技术正好减轻了这个问题，而IBS技术则是完全消除了这一影响[5]。

挑战

根据应用的不同，研发人员在开发新一代激光源时可能会面对几个不同的挑战。通常来说，稳定性、光束质量和一定的功率是大多数遥感或医疗应用的关键指标，而在国防领域中，尺寸、重量和效率显得更重要，同时也更难实现。为了使系统变得更小、更轻、更强大，就意味着光学元件必须能够承受更窄的光斑尺寸和更高的光通量。因此，性能最弱的组件的寿命和稳定性将决定系统本身的使用寿命，因此每个部件的生产都需要特别的注意。

如果有连续辐射通过大量非晶玻璃，会遇到所有杂质和潜在的吸收器，这是实际波长的典型特征。2 μm范围最大的问题是吸收带，这就会使玻璃被局部加热，导致热透镜效应和扭曲。不过如果正确选择红外级熔融石英(OH浓度< 5ppm)或氟化，这个问题可以很很容易得到解决。

Altechna 针对2 μm 应用的解决方案

新一代光学元件的开发是一个复杂的过程。它涉及到从材料学到工程学等多个学科。在波长2 μm左右的范围，我司工程师已经发现了几个激光系统的技术瓶颈，并且有了一套完整的解决方案。现在用于激光谐振腔和传输光学的高质量光学元件，我们既可以打样，也可以量产。

光束控制光学

任何常见的红外级熔融石英(Corning 7979®，Infrasil®等)
出色的ROC和定心公差精度
金属氧化物溅射形成的电介质膜层
损伤阈值: >30 J/cm² @ 2090 nm, 10 ns*

高损伤阈值的Ho:YAG 激光晶体

Ho³⁺浓度: 0.5 – 2%
表面质量: 10-5, S-D
表面平整度: <λ/10 @ 632.8 nm
并行度误差: <5 arcsec
损伤阈值: >30 J/cm² @ 2090 nm, 10 ns*

高损伤阈值的腔镜

任何常见的红外级熔融石英(Corning 7979®，Infrasil®等)
EM优化
低损耗的设计
金属氧化物溅射形成的电介质膜层
损伤阈值: >30 J/cm² @ 2090 nm, 10 ns*

*注:检测时未发现损伤，故无法评估损伤阈值。实际损伤阈值会大于试验中施加的的最大影响值。这个最大影响值在规格表[6]中可以查到。

参考文献

1. Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics, Book edited by: Bishnu Pal, ISBN 978-953-7619-82-4, p. 674, February 2010, INTECH.

2. Antipov, O., Zakharov, N., Fedorov, M., Shakhova, N., Prodanets, N., Snopova, L., Sharkov, V. & Sroka, R. (2011). Cutting effects induced by 2 μm laser radiation of cw Tm:YLF and cw and Q-switched Ho:YAG lasers on ex-vivo tissue. Medical Laser Application, 26, 67–75. doi: 10.1016/j.mla.2011.02.004.

3. Hemming, A., Richards, J., Bennetts, S., Davidson, A., Carmody, N., Davies, P., Corena, L., Lancaster, D. (2010). A high power hybrid mid-IR laser source. Optics Communications, 283 (20), 4041–4045. doi: 10.1016/j.optcom.2010.05.078.

4. Wang, Y. P., Dai, T. Y., Wu, J., Ju, Y. L., & Yao, B. Q. (2018). A Q-switched Ho:YAG laser with double anti-misalignment corner cubes pumped by a diode-pumped Tm:YLF laser. Infrared Physics & Technology, 91, 8–11. doi: 10.1016/j.infrared.2018.03.020.

5. Trey Turner, Laser Focus World (2011), Thin-film coatings: Military laser technologies challenge optical-coating manufacturers, <https://www.laserfocusworld.com>.

6. 测试 Lidaris, JSC.

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