可调谐Cr:ZnSe单频激光器的技术研究

Broadly tunable single-frequency lasers of 2-3μm is significant to achieve differential absorption laser radars of a variety of gas molecules (especially CO2, CH4, N2O and other greenhouse gas molecules). Based on broad emission spectra of Cr: ZnSe crystal, this project presents a broadly tunable Cr: ZnSe single-frequency laser. Pumping by Tm: YLF lasers and diode emitting at 1908 nm, we intend to obtain high power tunable single-frequency laser output, and we also intend to stabilize its frequency around 2.4μm by use of CH4 gas. The research will be focused on the wavelength tuning technique, single frequency selection techniques, frequency stabilization technology. This project intends to adopt CaF2 prism or grating (Littman structure) combined with FP etalons to achieve tunable Cr: ZnSe single-frequency laser, and the frequency modulation technique, CH4 gas absorption cell and proportional-integral-differential circuit to stabilize its frequency around 2.4μm. Tunable Cr: ZnSe single-frequency laser can be tuned to detect a variety of gas molecules. Our research will provide necessary technical reserves for the realization differential absorption laser lidars of various greenhouse gases.

获得宽调谐2-3 μm的单频激光对实现多种气体分子（尤其是CO2、CH4、N2O等温室气体分子）的差分吸收激光雷达具有重要意义。基于Cr:ZnSe的宽发射光谱特性，本项目开展宽调谐Cr:ZnSe单频激光器的研究。拟采用中心波长在1908 nm的Tm:YLF激光器或半导体激光器泵浦Cr:ZnSe晶体获得大功率的可调谐单频激光输出，并利用CH4气体实现其在2.4μm处的稳频。重点对其中应用的波长调谐技术、单频选择技术、稳频技术开展相关研究。项目拟采用CaF2棱镜或者光栅（Littman结构）结合FP标准具的方法实现可调谐Cr:ZnSe单频激光器，并通过频率调制技术、CH4气体吸收池以及比例-积分-差分电路实现激光器在2.4μm处的稳频，验证激光器的实用性。可调谐Cr:ZnSe单频激光器可以通过频率调谐，实现对多种气体分子的探测，项目的研究为实现多种温室气体的差分吸收激光雷达提供必要的技术储备。

2-3微米的单频中红外激光光源是激光领域研究的热点，可以被广泛的应用于激光雷达、光谱分析等领域，尤其是由于处在分子指纹波段，可以用于多种气体分子（尤其是CO2、CH4、N2O等温室气体分子）的探测。.本课题采用1908nm激光器作为泵浦源，Cr:ZnSe/ZnS晶体作为增益介质，获得了连续输出功率最高为4.12W的输出。在功率为5.34W中心波长为1908nm激光的泵浦下，利用Cr:ZnS晶体作为增益介质，采用CaF2单棱镜实现了调谐范围从2045nm到2931nm的波长连续可调谐输出，最高输出功率为1.72W；并在真空中获得了从2032nm-3040nm的连续可调谐激光输出，调谐范围超过了1000nm。创新设计了利用自种子注入环形腔加双折射滤光片调谐波长压窄线宽的方法，实现了超宽带的单频连续可调谐激光输出，通过仔细优化双折射滤光片的角度，最终实现了从2338.5nm到2572.19nm的连续可调谐单频激光输出，调谐范围超过了200nm，在2357nm处实现最高为1.1W的单频激光输出。该成果为Cr:ZnSe/ZnS单频激光器中调谐范围最宽的输出结果。.利用1.13 μm 激光二极管泵浦Ho:YAG晶体，对2.1微米处的宽带可调谐单频激光器开展了相关实验研究，在输出镜透过率为2%的条件下，实现了激光的可调谐单频输出，调谐波长范围为2119.7 nm至2131.5 nm，在2129.6 nm处获得最大为102mW的最大单频输出，该激光器覆盖了N2O气体的在2.1微米处的多条吸收谱线，在 N2O气体的探测方面具有潜在的应用价值。