中红外激光器是超高精度分子光谱、分子迹探测等领域的理想光源。它在污染监测、燃烧场诊断等方面有重要的应用。
中红外激光在大气中包含几个重要的光学透明窗口，使得该波段在大气通信、红外测距、超高分辨率天文光谱仪的波长校准等领域具有重要的应用。
中红外激光器可以以多种方式产生，如量子级联激光器和带间级联激光器，铅盐半导体或锑化镓激光器，气体激光器或化学激光器，自由电子激光器，非线性频率转换，固体激光器，光纤激光器。
量子级联激光器是由外延生长的分子束构成的量子半导体结构和设计通过带结构。
通过改变量子阱层的厚度，QCL可以很容易地改变波长。目前QCL技术的应用需要提高散热性能，脊的刻蚀均匀性不够好，其量子实空间的传输效应有待研究。
铅盐半导体或锑化镓激光器是比较传统的转换成激光器。一般采用慢冷液相外延法(LPE)制备PbTe或PbSnTe均质或异质激光二极管结构。
使用LPE生长的PbTe/PbSnTe双异质激光二极管的连续激光工作，但由于材料的激光功率容差，限制了其在高功率激光器的实现和应用。光抽运气体激光器基本覆盖了从紫外到毫米波的光谱范围。
中红外气体激光器的增益介质是气态分子气体，包括强极性双原子分子气体，如卤化氢(HX) HF和DF、HBr、HCl、HI和CO等，以及CO2、NH3等多原子分子气体。
中红外光纤光纤是中红外超短脉冲光纤激光器的重要组成部分，石英纤维是最常见的纤维，因为它具有较低的传输损耗(<0.2 dB/km)，但在2 ~ 4µm处有较大的吸收，因此红外输出主要在2µm左右。
常用的二氧化硅光纤中红外激光器掺杂方式为Tm3+、Ho3+或Tm3+/Ho3+共掺杂。氟化纤维主要有两种类型:氟化玻璃，氟基增益光纤可以支持3 μm甚至更长波段。然而，氟化纤维存在着易潮解和剧毒的问题，碲化纤维比氟化纤维损失更大，但其理化性能更稳定、更安全。
中红外光纤脉冲激光器光纤激光器的调Q技术是在谐振腔内增加一个调Q开关，周期性地调节腔内的Q值。当它处于低Q值状态时，激光的高能级会积累。如果Q值突然增大(为了减少损耗)，激光会在短时间内快速释放能量，从而产生Q开关脉冲。
近些年调q光纤激光器得到了迅速的发展，取得了许多杰出的成就。通过利用InAs材料作为饱和吸收器，在Er3+: ZBLAN光纤激光器中获得了约2.7 μm的调q脉冲。
然而，由于纤维拉伸工艺和泵送技术的限制，其最大功率仅为2.1 mW。直到声光调制器(AOM)、半导体可饱和吸收镜(SESAM)和Fe2+: ZnSe晶体成为最成熟的三种调q器件，用于产生调q脉冲，获得了良好的输出特性。
还可以使用AOM作为q开关器件，实现了2.8 μ在Er3+:
ZBLAN光纤激光器中，激光脉冲的平均功率可达12 W，利用AOM在Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤上获得了2.87 μm调q激光器，脉冲宽度仅为33 ns。这是目前为止在3 μm级光纤激光器中实现的最短脉宽Q开关输出。（图1）
（图1）
中红外增益开关脉冲增益开关脉冲产生原理实际上更类似于q开关技术产生脉冲，两者的区别在于增益开关是通过控制泵浦光脉冲的形式来控制激光腔中的增益，所以只要泵浦光脉冲在一个足够大的范围内进入谐振腔，然后快速获得高增益实现脉冲。
增益开关技术的优点是无需额外的调制器或饱和吸收器(SA)在腔内，这是一个更简单和更紧凑的系统。因此，它可以防止脉冲功率从q开关的有限损伤阈值缩放。其次，通过控制泵浦脉冲源，可以灵活地调节激光器的特性。
在2.94µm附近的波长区域展示了单掺杂Ho的ZBLAN光纤激光器，通过引入平面光栅对激光波长进行调谐，可绕过强水汽谱线，调谐范围为2.8955µm ~ 3.0005µm，调谐范围为105 nm。该装置便于直接应用于生物医学领域。
同时还发现了在3.46 μm时最大平均功率为1.04 W的增益开关光纤激光器，这是当时世界上第一个波长超过3 μm的掺铒稀释脉冲光纤激光器，其增益开关光纤激光器是一种用976 nm连续激光器实现的双包层掺铒ZBLAN增益开关型光纤激光器，同步增益开关脉冲重复频率在55 ~ 120 kHz范围内可调。
首次提出并演示了一种中红外增益开关Ho3+采用自制的1146 nm脉冲拉曼光纤激光器，泵浦了长度为2 m和0.25 m的全光纤结构单包层Ho3+: ZBLAN光纤激光器。全光纤MIR腔由自制的MIR光纤镜和垂直抛光的ZBLAN光纤端组成。（图2）
增益开关技术的优点是，只需使用脉冲泵浦源泵浦增益光纤就可以获得激光脉冲输出，这不仅没有插入损耗，而且对全光纤结构和降低成本非常有利。
（图2）
中红外锁模脉冲中红外超快光纤激光器的研究显著增加，在分子光谱学、材料加工、遥感、激光雷达、激光-电子相互作用和谐波产生等领域具有特殊的应用前景。
稀土离子掺杂氟化物光纤的发展迅速促进了2.8 ~ 3 μm波段超快光纤激光器的发展，由于它具有较大的受激发射截面和较高的激光效率，并兼容970 nm二极管泵浦。
在前2.8 μm锁模铒3+ 基于Fe: ZnSe的氟化光纤激光器。利用Fe: ZnSe的饱和额定吸收，获得了一个连续波锁模脉冲，脉冲宽度为19 ps，平均功率为54.1 mW。
Er3+氟化光纤的工作波长通常为2.8 μm，但水在这一波段有很强的吸收，这些强吸收会限制输出脉宽和脉冲稳定性。因此，Ho3+/ Pr3+ 近年来，氟化光纤已逐渐应用于激光器，它可以使激光器的工作波长向远波长方向偏移，有效地避免了水的强吸收峰。
另有一种基于新型SESAM的Ho3+/Pr3+氟掺杂超快光纤激光器，在2.87 μm处的脉冲宽度为24 ps平均功率为132 mW，能量为4.9 nJ。这项工作可能导致一系列涉及大电场与分子相互作用的应用，但这需要进一步压缩脉冲宽度。（图3）
（图3）
基于非线性偏振旋转技术的2.8 μm飞秒Er3+: ZBLAN光纤激光器实现了飞秒模式锁定，它的平均输出功率为317 mW，重复频率为107 MHz，脉冲持续时间短至131 fs。这是有史以来由中红外锁模Er直接产生的最短脉冲3+: ZBLAN光纤激光器。
显示减小增益光纤长度是缩短锁模氟化物光纤激光器脉冲持续时间的有效途径，是促进锁模Er3+: ZBLAN光纤激光器的重要一步，该激光器可以产生100 fs以下的中红外脉冲。（图4）
（图4）
为了实现3 μm以上的Er3+和Ho3+/Pr3+氟化光纤的超短脉冲，可以使用双波长抽运。（图5）
（图5）
由单波长或双波长抽运下离子的简化能级图可以看出了带有Er3+的3.5 μm激光的激发态跃迁过程，在金镜上种植BP，建造了第一个皮秒洱3+ 在3.5 μm波段工作的氟基光纤激光器。
Er3+和Ho3+掺氟光纤激光器在2.7-2.9 μm波长范围内是一种很有前途的脉冲源，但扩大这一覆盖范围仍然是一个主要挑战，这反过来导致了对掺Dy3+氟光纤的研究。
Dy3+掺氟光纤激光器工作在2.8 ~ 3.4 μm波段，可用于产生3.5 μm波段的超快激光，同时实现了第一个掺Dy3+氟光纤的锁模光纤激光器，采用频移反馈技术，实现了脉冲宽度为33 ps、能量为2.7 nJ的无源锁模脉冲。（图6图7）
（图6）
（图7）
这是目前调谐波长范围最宽的皮秒脉冲光纤激光器，中心波长在2.97 ~ 3.3 μm范围内可调谐。虽然频移反馈脉冲的产生机理还没有得到充分的研究和理解，但一方面，数值模拟的研究推动了频移反馈脉冲的进一步研究。
在光谱区域，它是一种理想的技术，传统的模式锁定技术是不可用的，或在宽频tena是乏的，这为中红外波长和宽光谱覆盖的锁模镝光纤激光器开辟了新的机会。
这项工作使首个fs-locked光纤激光器能够超过3 μm，进一步扩大了稀土掺杂氟化物光纤激光器的范围到中红外。这也为直接制造覆盖“分子指纹”区域的中红外频率梳源开辟了新的可能性。（图8）
（图8）
中红外光纤激光传感-应用在医学上，中红外波段位于水分子的吸收峰，当中红外波段的激光作用于皮肤时，其能量迅速被肌肉组织吸收，导致肌肉组织迅速汽化和分离。
当然，在中红外波段也有许多应用，这也涵盖了3-5和8-12 μm波长区域的重要大气窗口。这包括许多气体、液体和固体的分子指纹，即特征中红外光吸收，如地面、水和空气污染物、药品、食品、石油产品和塑料、生物组织等。
中红外光纤传感器可以使用中红外光栅作为传感器件，与普通石英光纤蚀刻光纤光栅相比，氟化光纤光栅具有抗电磁干扰、重量轻、对外界环境灵敏度高，插入损耗低，可应用于极限以上2 μs波段。
这也是由于其工作波段宽，折射率小，色散系数低，负折射率对温度环境的依赖性低，所以具有很好的稳定性。（图9）
（图9）
中红外超短脉冲激光的主要发展方向是光谱学、超连续谱产生、中红外频率梳、材料加工、激光外科、生物诊断学和新型中红外光纤器件。
超快中红外光谱是分子定性或定量研究的重要方法还有固态物理学，它可以用来研究物质的分子结构和它们的时间分辨动力学，超快中红外光谱光纤激光器因其优越的信息传输性能和便携性而受到广泛的期待。
在硫系光纤中产生中红外超连续统的方案，在高度非线性的ZBLAN光纤中压缩到16fs，可以产生1.8µm到3.8µm的宽频谱。这些结果将有助于在实际实验工作中设计一个平坦的中红外超连续统。
同时实现了高功率超连续谱的产生，最大全波段输出功率为7 W，光谱扩展到4.7 μm。虽然超连续谱产生技术已经成熟，甚至在可见光和近红外光谱区域已经商业化，但提供高效率、高功率的中红外超连续谱源仍然具有挑战性。
这些限制包括在较长的中红外区域的高透明非线性介质和可用于在零色散波长附近高效泵浦非线性介质的可靠的超快泵浦源。在中红外范围内，光学频率梳对分子光谱学至关重要。它们有望在宽带中红外分子指纹区域实现超灵敏、快速和精确的分子传感。
虽然已有了几种产生中红外频率梳的方法，但中红外锁模激光源可能是产生频率梳最通用、可靠、自然低噪声和紧凑的选择。新材料应用于制造业和制造商的新应用要求，为激光-材料相互作用研究中的新波长激光器提供了独特的机会。
超快中红外激光光源将现有的超快激光加工技术扩展到中红外领域。这为将高精度加工技术扩展到在可见光和近红外光谱范围内不透明但在中红外光谱范围内透明的材料(如Si, Ge)提供了可能性。
超快中红外光纤激光器由于其便携性，在工业制造和科研中得到了广泛的关注。
值得一提的是，近年来，中红外透明玻璃陶瓷(MIR TGCs)已经开始引起研究者的注意，它由纳米晶体的均匀固体分散体嵌入在化学惰性和机械坚固的玻璃矩阵中，其中可以嵌入尺寸和结构定制的纳米晶体，它们可以被掺杂相对高浓度的中红外发射稀土或过渡金属离子。
这种MIR TGCs在许多光子学应用中都很有前景，包括宽带非相干MIR光源、超发光光源、先进的光纤器件以及宽波长可调谐和超短脉冲锁定光纤激光器。
中红外脉冲光纤激光展望然而，目前仍有许多挑战需要解决一方面，中红外波段一直缺乏高效增益离子，尤其是在长波波段，这是影响锁模激光器性能的关键因素。虽然我们可以通过双泵浦或光纤放大器等技术手段获得波长较长(约3 μm)的中红外锁模脉冲，但相关技术还不是很成熟。
如果存在高效增益离子，将能够对更长中红外脉冲进行更多的研究，从而大大简化光纤系统。另一方面，与其他波段相比，中红外可饱和吸收体在恢复时间、非饱和损失、损伤阈值等方面应该有很大的优化空间。
需要找到一种新型的饱和吸收材料，并实现对其参数的精确控制。也正是由于上述原因，高平均功率、高脉冲能量、长波长的中红外超快光纤激光器的发展受到了限制。
参考文献：
Li X, Huang X, Hu X, et al. Recent progress on mid-infrared pulsed fiber lasers and the applications[J]. Optics & Laser Technology, 2023,158:108898.
