Stredný infračervený laser s hrúbkou 2 um{1}}um má svoje vlastné jedinečné aplikácie: toto pásmo pokrýva niekoľko atmosférických okien, vďaka čomu je užitočný pre LIDAR, atmosférickú komunikáciu, laserové určovanie rozsahu, kalibráciu astronomických spektrometrov s ultravysokým rozlíšením a optoelektronickú detekciu, atď. [1]; stredné infračervené pásmo obsahuje charakteristické spektrálne čiary známe ako "molekulárne odtlačky prstov", ktoré možno použiť na vysokú rýchlosť, vysoké rozlíšenie, vysokú spektrálnu citlivosť, vysoký pomer signálu k šumu pri meraní strednou infračervenou spektroskopiou [2] ; molekuly vody v blízkosti 3um majú silný absorpčný vrchol, takže môžu byť použité v mnohých lekárskych operáciách; sa nachádza v molekulárnej kovalentnej väzbe absorpčného spektrálneho pásma, ktorú možno použiť na detekciu molekulárneho obsahu a molekulárneho typu identifikácie, na dosiahnutie molekulárneho zobrazovania a pod.
Komerčne dostupné stredné infračervené laserové zdroje zahŕňajú OPO parametrické oscilačné lasery, superkontinuálne spektrálne svetelné zdroje, kvantové kaskádové lasery a vláknové lasery.
Stredne infračervený vláknový laser, podľa realizácie stredného infračerveného vlákna, možno rozdeliť na aktívne a pasívne aspekty, najmä vrátane stredného infračerveného lasera na báze dopovaných vzácnych zemín, ako je Er3 plus, Dy3 plus dopovaný vláknový laser ZBLAN ; stredný infračervený laser založený na nelineárnom efekte, ako je Ramanov laser, superkontinuálne spektrum lasera; založené na optickom vlákne s dutým jadrom so špeciálnou vlnovodovou štruktúrou, s rôznymi plynmi na dosiahnutie rôznych vlnových dĺžok. Rôzne vlnové dĺžky stredného infračerveného lasera. V posledných rokoch, s neustálym vývojom a vyspelosťou vláknovej laserovej technológie, je výskum v oblasti strednej infračervenej laserovej technológie horúci, súvisiace experimenty a správy o produktoch sú nekonečné a tu diskutujeme iba o strednom infračervenom vláknovom laseri s jednou vlnovou dĺžkou. na získanie aktívnej vlákniny.
Er: ZBLAN optických vlákien
Keďže prvok vzácnych zemín má bohatú štruktúru energetickej hladiny, častice sú excitované na vyššie energetické hladiny absorpciou v základnom stave pri vlnových dĺžkach pumpy 655 nm, 790 nm a 980 nm a emisia 1,55 um môže byť produkovaná prenosom žiarenia z Energetická hladina 4I13/2 na energetickú hladinu 4I15/2 a emisia 2,8 um prechodom z energetickej hladiny 4I11/2 na energetickú hladinu 4I13/2. Skok častíc z energetickej úrovne 4F9/2 na energetickú úroveň 4I9/2 môže spôsobiť emisiu 3,5 um. V súčasnosti ide o relatívne bežnú metódu na získanie 2,8 μm laseru z vysoko koncentrovaných dopovaných vlákien Er: ZBLAN [4]
Fluoridové vlákno sa používa na 2-3um svetelný výstup, sulfidové vlákno sa používa na 3-6.5um svetelný výstup a s halogenidovým vláknom je možné vydávať dlhšie vlnové dĺžky ako 6,5um. Fluoridové vlákno je hlavne fluorid hlinitý (AlF3), ZBLAN (53 percent ZrF4-20 percent BaF2-4 percent LaF3-3 percent AlF3-20 percent NaF) alebo fluorid indium (InF3) ako matricový materiál fluoridového viaczložkového skleneného vlákna. Jedno zo ZBLAN je v súčasnosti bežnejšie používané optické vlákno, možno dosiahnuť dopovanie vzácnych zemín, pretože jeho proces spájania fúziou s optickým vláknom na báze kremíka je relatívne vyspelý, možno použiť komerčné stroje na spájanie optických vlákien, možno použiť vlákna InF a AlF používané ako zariadenie s optickými vláknami (ako je zlučovač lúčov) a výroba koncových uzáverov z optických vlákien. Hlavnou nevýhodou fluoridových vlákien je však ľahká vlhkosť.
2,8um stredný infračervený kontinuálny vláknový laser
V roku 1988 Brierley ohlásil prvý 2,7um Er3 plus dopovaný vláknový laser[5].
V roku 1999 dosiahol výstupný výkon vláknového lasera Er:ZBLAN prelom vo wattovej škále a Jackson et al[6] dosiahli laserový výkon 1,7 W pomocou vlákna Er3 plus / Pr3 plus spolu dopovaného ZBLAN.
V 21. storočí s rozvojom technológie prípravy vlákien a technológie vláknových laserov sa výkon 3um-pásmových laserov ešte zvýšil. Medzi nimi Kyoto University v Japonsku, University of Adelaide v Austrálii, Laval University v Kanade a Shenzhen University v Číne v laboratóriu oznámili veľmi vynikajúci experimentálny pokrok.
V roku 2015 Fortin et al [7] z Laval University v Kanade uviedli laser s dopovaným fluoridovým vláknom Er3 plus s výstupným výkonom 30,5 W a výstupnou vlnovou dĺžkou 2938 nm. Systém využíval vláknovú Braggovu mriežku založenú na vnútrojadrovom leptaní, tj mriežky s vysokým a nízkym odrazom boli vyleptané do vlákien ZBLAN a Er:ZBLAN, aby vytvorili 10 m dlhú rezonančnú dutinu a koniec vlákna bol pripojený s koncovým uzáverom AlF3 na zníženie rozvlnenia a na zlepšenie stability lasera s celkovou účinnosťou lasera 16 percent pri čerpaní 980 nm.
V roku 2018 Aydin et al [8], Laval University, Kanada, dokončili mriežkové leptanie v celej časti vlákna Er:ZBLAN a dosiahli laserový výkon 41,6 W pri 2,8 um pomocou kontinuálneho vláknového lasera v režime dvojitého čerpania. . Toto je najvyšší známy výstupný výkon stredno-infračerveného vláknového lasera Er:ZBLAN.
V roku 2021 Chunyu Guo et al[10] z univerzity Shenzhen ohlásili prvý 2,8um stredný infračervený laserový výstup s celovláknovou štruktúrou pri výkone 20 W v Číne. Použité vlákno dopované Er3 plus :ZrF4 má priemer 15 um, numerickú apertúru NA asi 0,12, celkovú dĺžku 6,5 m, absorpčný koeficient 2-3dB/m@976nm a vysokoreflexnú mriežku (99 percent HR-FBG) a nízkoreflexná mriežka (10 percent OC-FBG) priamo vpísaná do zosilňovacieho vlákna so strednou vlnovou dĺžkou 2825 nm, ktorá tvorí rezonančnú dutinu s vláknom Er. Ako je znázornené na obr. ▼ Proces fúzneho spájania vlákien na báze kremíka a vlákien ZBLAN, ako aj proces fúzneho spájania koncových uzáverov a pasívnych vlákien, bol nezávisle vyvinutý reportérskym tímom, ktorý vyrobil opláštenie optických filtrov a Koncovky vlákien AlF3. Účinnosť premeny optiky na optiku je 14,5 percenta pri výkone pumpy 140 W, 输出功率 20,3W@2,8um.
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]
Po rokoch úsilia pracovníci s vláknovým laserom výrazne optimalizovali spracovanie stredného infračerveného vlákna, súčasné používanie komerčných špeciálnych zariadení na spracovanie vlákien, môžete dosiahnuť nižšiu stratu fúzie, sa používa v strednom infračervenom režime poľného porovnávača, zlučovača / rozdeľovača , výstupný koncový kryt a množstvo ďalších zariadení, aby sa uviedla na trh celovláknová štruktúra zdroja stredného infračerveného svetla na úrovni produktu.
Stredne infračervený Q-pulzný vláknový laser
V roku 2020 Sojka a kol. [11] použili 30 W 975 nm laserové čerpadlo s priemerom jadra 15 um, 7-percentnou molárnou koncentráciou Er:ZBLAN vlákno s dvojitým plášťom na dosiahnutie akusticko-optického Q-modulovaného výstupu vlákna. laserom s vlnovou dĺžkou 2,8 um pri opakovacej frekvencii 10 kHz a výstupom lasera s energiou impulzu 46 uJ v 1,1 m dlhom Er:ZBLAN vlákne s impulzom špičkového výkonu 0,821 kW s šírka impulzu 56 ns. 2021 použili multimódové vlákno Er:ZBLAN s priemerom jadra 35um a šírkou impulzu 26ns so špičkovým výkonom 12,7 kW a energiou impulzu 330 uJ [12].
V 2021 Shen a kol. dosiahol prvý pulzný laserový výstup 2,8 um pomocou elektrooptickej Q modulácie. Ako médium zosilnenia s NA 0,12 sa použilo vlákno ZBLAN s priemerom jadra 33 um dopované koncentráciou Er 6 percent a elektrooptický modulátor bol vybraný ako RTP kryštál so šírkou impulzu 13,1 ns s energiou impulzu 205,7. uJ a špičkový výkon 15,7 kW, čo je najvyšší špičkový výkon Er:ZBLAN modulovaný Q vláknový laser, o ktorom je známe, že bol hlásený.
Ultrarýchly vláknový laser so stredným infračerveným režimom
Vo vláknach na báze kremíka sú vlákna dopované Tm na výstup 2um laserov a táto technológia je relatívne vyspelá, pričom vyššie špecifikácie sa dosahujú jeden po druhom, keď dozrievajú technológie vlákien a zariadení.
V roku 2018 Jena University oznámila priemerný výkon 1 000 W, 256 fs 2um ultrarýchleho lasera využívajúceho vlákno fotonického kryštálu dopovaného Tm s veľkou oblasťou poľa režimu, 50/250-Tm-PM-PCF. toto je doteraz najvyššia metrika pre podobné experimenty.
Pre pásmo vlnových dĺžok nad 2 um väčšina súčasných výskumných prác s vláknovým laserom využíva technológiu pasívneho blokovania režimu, najmä vo forme saturovateľnej absorpcie, ako aj nelineárnych efektov. Prvý z nich používa materiály s opticky saturovateľnými absorpčnými vlastnosťami ako zariadenia s uzamknutým režimom, ako je SESAM, kovom dopované kryštály ako Fe: ZnSe atď., zatiaľ čo druhý využíva optické nelineárne efekty a iné prostriedky na generovanie ekvivalentných saturovateľných absorbérov, ako napr. rotácia nelineárnej polarizácie (NPR), zrkadlo nelineárnej optickej slučky (NOLM) atď.
V roku 2020 Guo et al [14] uviedli, že tenké filmy WSe2 boli pestované ako SA pomocou CVD a prenesené do pozlátených zrkadiel za vzniku WSe2-SAM, na základe ktorého sa pulz s uzamknutým režimom so šírkou impulzu 21 ps, opätovná frekvencia 42,43 MHz a priemerný výkon 360 mW sa dosiahli použitím 980 nm lasera čerpaného so 6 percentnou molárnou koncentráciou vlákna Er:ZBLAN.
V roku 2022 Qin et al [15] z Shanghai Jiaotong University pripravili InAs/GaSb supermriežku SESAM pomocou techniky epitaxného rastu molekulárneho lúča, ktorá dokáže flexibilne upraviť rozsah odozvy saturovateľného absorbéra, hustotu saturačnej energie a čas zotavenia a ďalšie parametre a dosiahol stabilný výstup s uzamknutým režimom z 3,5um Er:ZBLAN vláknového lasera so šírkou impulzu 14,8 ps, priemerným výkonom 149 mW a opakovacou frekvenciou 36,56 MHz.
V roku 2019 Qin et al [16] z univerzity Shanghai Jiaotong ďalej skrátili šírku impulzu so zamknutým režimom na 215 fs pomocou Ge tyčí na riadenie disperzie s energiou impulzu 9,3 nJ a špičkovým výkonom 43,3 kW.
V roku 2020 Gu a spol. [17] zo Shanghai Jiaotong University oznámili solitonový impulz s výkonom 131 fs v režime uzamknutia, špičkovým výkonom 22,68 kW a energiou impulzu 3 nJ na základe techniky NPR pre vláknový laser 2,8 μm Er∶ZBLAN.
V tom istom roku Huang et al [18] dosiahli výstup so šírkou impulzu 126 fs a energiou impulzu 10 nJ pumpovaním 3,3 m dlhého vlákna Er: ZBLAN pri 980 nm pomocou techniky NPR a zosilňovač Er: ZBLAN a nelineárne vlákno ZBLAN ďalej stlačili šírku impulzu na 15,9 fs s konečným špičkovým výkonom impulzu 500 kW.
V roku 2022 Yu et al [19] pripravili pulzný zdroj svetla so šírkou impulzu 283 fs pomocou 2,4 m dlhého vlákna Er:ZBLAN dopovaného 7 percentnou molárnou koncentráciou a ďalej stlačili šírku impulzu na 59 fs pomocou nelineárneho zosilnenia. , čím sa získa pulzný priemerný výkon až 4,13 W, čo je doteraz najvyšší priemerný výstupný výkon vláknového lasera s uzamknutým režimom pod sto femtosekundových režimov.
Czačlenenie
Stredne infračervený vláknový laser s kompaktným vláknovým laserom, menšou údržbou, vysokou stabilitou, vysokou kvalitou lúča a mnohými ďalšími výhodami, fluoridové, sulfidové, halogenidové, duté vlákna a iné stredne infračervené vlákna, z aplikácií výkonových, spektrálnych a optických zariadení , a ďalšie aspekty vývoja stredného infračerveného lasera výrazne podporili vývoj stredného infračerveného lasera, pričom materiály so stredným infračerveným žiarením a technológia optických vlákien naďalej dozrievajú, bude existovať viac vysokokvalitných stredne infračervených vláknových laserov produkty, ktoré sa objavia v národnej obrane, vedeckom výskume, priemyselnej výrobe, lekárskej starostlivosti a iných oblastiach, aby zohrávali čoraz väčšiu úlohu.
