Лазер середнього інфрачервоного діапазону 2um-5um має власні унікальні застосування: цей діапазон охоплює кілька атмосферних вікон, що робить його корисним для LIDAR, атмосферного зв’язку, лазерного визначення дальності, калібрування астрономічних спектрометрів надвисокої роздільної здатності та оптоелектронного виявлення, тощо [1]; смуга середнього інфрачервоного діапазону містить характерні спектральні лінії, відомі як «молекулярні відбитки», які можна використовувати для вимірювання високої швидкості, високої роздільної здатності, високої спектральної чутливості, високого співвідношення сигнал/шум спектроскопії середнього інфрачервоного діапазону [2] ; молекули води в районі 3 мкм мають сильний пік поглинання, тому їх можна використовувати в багатьох медичних операціях; знаходиться в молекулярному ковалентному зв’язку спектральної смуги поглинання, який можна використовувати для виявлення молекулярного вмісту та ідентифікації молекулярного типу, для досягнення молекулярного зображення тощо.
Комерційно доступні лазерні джерела середнього інфрачервоного діапазону включають параметричні осцилюючі лазери OPO, спектральні джерела світла суперконтинууму, квантові каскадні лазери та волоконні лазери.
Волоконний лазер середнього інфрачервоного діапазону, відповідно до реалізації волокна середнього інфрачервоного діапазону, можна розділити на активні та пасивні аспекти, в основному включаючи лазер середнього інфрачервоного діапазону на основі легованих рідкоземельних елементів, таких як Er3 plus, Dy3 плюс легований волоконний лазер ZBLAN ; лазер середнього інфрачервоного діапазону на основі нелінійного ефекту, такий як лазер Рамана, суперконтинуальний спектр лазера; на основі оптичного волокна з порожнистим сердечником зі спеціальною структурою хвилеводу, з різними газами для досягнення різних довжин хвиль. Різні довжини хвиль середнього інфрачервоного лазера. Останніми роками з безперервним розвитком і зрілістю волоконних лазерних технологій дослідження навколо технології середнього інфрачервоного лазера є гарячими, пов’язані експерименти та звіти про продукти нескінченні, і тут ми обговорюємо лише однохвильовий волоконний лазер середнього інфрачервоного діапазону. на посилення активної клітковини.
Er: Оптоволокно ZBLAN
Оскільки рідкоземельний елемент має багату структуру енергетичних рівнів, частинки збуджуються до вищих енергетичних рівнів шляхом поглинання в основному стані на довжинах хвиль накачки 655 нм, 790 нм і 980 нм, і випромінювання 1,55 мкм може бути створено шляхом радіаційного переносу від Енергетичний рівень 4I13/2 до енергетичного рівня 4I15/2 та випромінювання 2,8 мкм шляхом переходу від енергетичного рівня 4I11/2 до енергетичного рівня 4I13/2. Стрибок частинки з енергетичного рівня 4F9/2 на енергетичний рівень 4I9/2 може спричинити випромінювання 3,5 мкм. В даний час це відносно поширений метод отримання 2,8 мкм лазерного випромінювання з висококонцентрованих легованих Er: волокон ZBLAN [4]
Фторидне волокно використовується для 2-3 мкм випромінювання світла, сульфідне волокно використовується для 3-6.5 мкм випромінювання світла, а довжина хвилі, ніж 6,5 мкм, може виводитися за допомогою галогенного волокна. Фтористе волокно в основному складається з фториду алюмінію (AlF3), ZBLAN (53 відсотки ZrF4-20 відсотків BaF2-4 відсотків LaF3-3 відсотків AlF3-20 відсотків NaF) або фториду індію (InF3) , і т.д. як матеріал матриці фторидного багатокомпонентного скловолокна. Один із ZBLAN на даний момент є більш широко використовуваним оптичним волокном, можна досягти легування рідкісноземельними елементами, оскільки його процес зварювання з оптичним волокном на основі кремнію є відносно зрілим, можна використовувати комерційні машини для зварювання оптичних волокон, можна використовувати волокна InF та AlF використовується як волоконно-оптичний пристрій (наприклад, об’єднувач променів) і виробництво волоконно-оптичних кінцевих заглушок. Але легкість вологи - це головний недолік фторидного волокна.
Безперервний волоконний лазер середнього інфрачервоного діапазону 2,8 мкм
У 1988 році Брірлі повідомив про перший 2,7 мкм Er3 плюс легований волоконний лазер[5].
У 1999 році вихідна потужність волоконного лазера Er:ZBLAN досягла прориву у ватній шкалі, а Джексон та інші [6] досягли вихідної потужності лазера 1,7 Вт, використовуючи Er3 plus / Pr3 plus co-leged ZBLAN fiber.
У 21 столітті з розвитком технології підготовки волокна та технології волоконного лазера потужність лазерів 3 мкм-діапазону ще більше зросла. Серед них Кіотський університет в Японії, Університет Аделаїди в Австралії, Університет Лаваля в Канаді та Університет Шеньчженя в Китаї в лабораторії повідомили про дуже чудовий експериментальний прогрес.
У 2015 році Фортін та інші [7] з Університету Лаваля, Канада, повідомили про волоконний лазер із легованим фторидом Er3 plus з вихідною потужністю 30,5 Вт і довжиною хвилі випромінювання 2938 нм. Система використовувала волоконну брегговську решітку на основі травлення внутрішнього ядра, тобто решітки високого та низького відбиття були витравлені у волокнах ZBLAN та Er:ZBLAN, відповідно, для формування резонансної порожнини довжиною 10 м, а хвіст волокна був з’єднаний з торцевою кришкою AlF3 для зменшення розпливання та покращення стабільності лазера із загальною ефективністю лазера 16 відсотків при накачуванні 980 нм.
У 2018 році Айдін та інші [8], Університет Лаваля, Канада, завершили травлення решітки в межах цілої секції волокна Er:ZBLAN і досягли вихідної потужності лазера 41,6 Вт при 2,8 мкм за допомогою безперервного волоконного лазера в режимі подвійної накачування. . Це найвища відома вихідна потужність волоконного лазера середнього інфрачервоного діапазону Er:ZBLAN.
У 2021 р. Chunyu Guo та інші [10] з Університету Шеньчженя повідомили про перший у Китаї 2,8 мкм вихідний лазер середнього інфрачервоного діапазону з повністю волоконною структурою потужністю 20 Вт. Використане волокно, леговане Er3 plus:ZrF4, має діаметр 15 мкм, числову апертуру NA приблизно 0,12, загальну довжину 6,5 м, коефіцієнт поглинання 2-3 дБ/м@976 нм і решітку з високим ступенем відбивання. (99 відсотків HR-FBG) і решітку з низьким відбиттям (10 відсотків OC-FBG), безпосередньо вписану в підсилювальне волокно з центральною довжиною хвилі 2825 нм, яке утворює резонансну порожнину з Er-волокном. Як показано на рис. ▼ Процес з’єднання волокон на основі кремнію та волокон ZBLAN, а також процес з’єднання кінцевих наконечників і пасивних волокон був незалежно розроблений групою репортерів, які виготовили оптичні фільтри оболонки та Заглушки з волокна AlF3. Ефективність оптичного перетворення становить 14,5 відсотка, коли потужність насоса становить 140 Вт, 输出功率20,3 Вт при 2,8 мкм.
In 2023, the output power of a single-ended pumped mid-infrared fiber laser was increased to 33.8 W using a coated reflector and a homemade high-performance mid-infrared fiber endcap to provide resonant cavity feedback, combined with an efficient coupling technique for high-power pumped light, and the highest laser efficiency was obtained at a power level of >30 W. [21]
Після багатьох років зусиль працівники волоконного лазера значно оптимізували обробку волокна середнього інфрачервоного діапазону, поточне використання комерційного спеціального обладнання для обробки волокон, ви можете отримати менші втрати при синтезі, використовується в режимі збігу поля середнього інфрачервоного діапазону, комбайнера/розподільника , вихідну торцеву кришку та безліч інших пристроїв, щоб запустити повністю волоконну структуру джерела середнього інфрачервоного світла на рівні продукту.
Q-імпульсний волоконний лазер середнього інфрачервоного діапазону
У 2020 році Sojka та інші [11] використовували 30 Вт 975 нм лазерне накачування діаметром серцевини 15 мкм, 7-відсоткову молярну концентрацію Er:ZBLAN волокно з подвійною оболонкою для досягнення акустооптичного Q-модульованого вихідного сигналу волокна лазер на довжині хвилі 2,8 мкм з частотою повторення 10 кГц і вихід лазера з енергією імпульсу 46 мкДж у волокні Er:ZBLAN довжиною 1,1 м з імпульсом пікової потужності 0,821 кВт з тривалість імпульсу 56 нс. У 2021 році вони використовували багатомодове волокно Er:ZBLAN з діаметром серцевини 35 мкм і тривалістю імпульсу 26 нс з піковою потужністю 12,7 кВт і енергією імпульсу 330 мкДж [12].
У 2021, Shen et al. досяг першого імпульсного лазерного виходу 2,8 мкм за допомогою електрооптичної модуляції Q. Волокно ZBLAN із діаметром серцевини 33 мкм, леговане концентрацією Er 6 відсотків, використовувалося як середовище підсилення з NA 0,12, а електрооптичним модулятором був обраний кристал RTP із шириною імпульсу 13,1 нс, енергією імпульсу 205,7 uJ і піковою потужністю 15,7 кВт, що є найвищою піковою потужністю Er:ZBLAN модульованого волоконного лазера Q, про яку повідомлялося.
Надшвидкий волоконний лазер із блокуванням режиму середнього інфрачервоного діапазону
У волокнах на основі кремнію є волокна, леговані Tm, для виробництва 2 мкм лазерів, і ця технологія є відносно зрілою, з більш високими специфікаціями, які досягаються по черзі в міру розвитку технологій волокна та пристроїв.
У 2018 році Єнський університет повідомив про середню потужність 1000 Вт, 256 фс надшвидкого лазера 2 мкм, який використовує фотонно-кристалічне волокно, леговане Tm, із великою площею модового поля, 50/250-Tm-PM-PCF. це найвищий показник для подібних експериментів.
Для діапазону довжин хвиль понад 2 мкм більшість поточних досліджень волоконного лазера використовує технологію пасивної синхронізації мод, головним чином у формі насиченого поглинання, а також нелінійних ефектів. Перший використовує матеріали з властивостями оптично насиченого поглинання як пристрої з блокуванням моди, такі як SESAM, леговані металами кристали, такі як Fe: ZnSe тощо, тоді як останній використовує оптичні нелінійні ефекти та інші засоби для створення еквівалентних насичених поглиначів, таких як нелінійне поляризаційне обертання (NPR), нелінійне оптичне петельне дзеркало (NOLM) тощо.
У 2020 році Guo та ін. [14] повідомили, що тонкі плівки WSe2 вирощували як SA за допомогою CVD і переносили на позолочені дзеркала для формування WSe2-SAM, на основі якого імпульс із синхронізованим режимом із шириною імпульсу 21 пс, повторна частота 42,43 МГц і середня потужність 360 мВт були досягнуті за допомогою лазера 980 нм, накачуваного 6-відсотковою молярною концентрацією волокна Er:ZBLAN.
У 2022 році Цинь та інші [15] з Шанхайського університету Цзяотун підготували надгратку InAs/GaSb SESAM за допомогою методу епітаксіального росту молекулярного променя, який може гнучко регулювати діапазон відгуку поглинача, що насичується, щільність енергії насичення, час відновлення та інші параметри, а також досяг стабільного вихідного сигналу з синхронізованим режимом від волоконного лазера Er:ZBLAN 3,5 мкм із шириною імпульсу 14,8 пс, середньою потужністю 149 мВт і частотою повторення 36,56 МГц.
У 2019 році Цинь та інші [16] з Шанхайського університету Цзяотун ще більше скоротили ширину імпульсу з синхронізованим режимом до 215 фс, використовуючи Ge стрижні для керування дисперсією, з енергією імпульсу 9,3 нДж і піковою потужністю 43,3 кВт.
У 2020 році Гу та ін. [17] з Шанхайського університету Цзяотун повідомили про імпульс солітону з вихідним сигналом 131 фс із синхронізованим режимом, піковою потужністю 22,68 кВт та енергією імпульсу 3 нДж на основі техніки NPR для волоконного лазера Er∶ZBLAN 2,8 мкм.
У тому ж році Huang та інші [18] досягли вихідного сигналу з синхронізованим режимом із шириною імпульсу 126 фс та енергією імпульсу 10 нДж шляхом накачування волокна Er: ZBLAN довжиною 3,3 м при 980 нм за допомогою техніки NPR, і підсилювач Er: ZBLAN і нелінійне волокно ZBLAN додатково стиснули ширину імпульсу до 15,9 фс з кінцевою піковою потужністю імпульсу 500 кВт.
У 2022 році Ю та ін. [19] підготували імпульсне джерело світла із шириною імпульсу 283 фс, використовуючи волокно Er:ZBLAN довжиною 2,4 м, леговане 7% молярною концентрацією, і додатково стиснули ширину імпульсу до 59 фс за допомогою нелінійного підсилення. , отримуючи імпульсну середню потужність до 4,13 Вт, що є найвищою середньою вихідною потужністю волоконного лазера з синхронізованим режимом роботи менше ста фемтосекунд на сьогодні.
Cвключення
Волоконний лазер середнього інфрачервоного діапазону, з компактним волоконним лазером, меншим обслуговуванням, високою стабільністю, високою якістю променя та багатьма іншими перевагами, фтористими, сульфідними, галогенними, порожнистими волокнами та іншими волокнами середнього інфрачервоного діапазону, із застосуванням силових, спектральних, волоконно-оптичних пристроїв , та інші аспекти розвитку лазера середнього інфрачервоного діапазону значною мірою сприяли розвитку лазера середнього інфрачервоного діапазону, оскільки матеріали середнього інфрачервоного діапазону та волоконно-оптичні технології продовжують розвиватися, буде більше високоякісного волоконного лазера середнього інфрачервоного діапазону. продукти, які вийдуть у національну оборону, наукові дослідження, промислове виробництво, медичне обслуговування та інші сфери, щоб відігравати все більшу роль.
