2um-5um střední infračervený laser má své vlastní jedinečné aplikace: toto pásmo pokrývá několik atmosférických oken, takže je užitečné pro LIDAR, atmosférickou komunikaci, laserové určování vzdálenosti, kalibraci astronomických spektrometrů s ultravysokým rozlišením a optoelektronickou detekci, atd. [1]; střední infračervené pásmo obsahuje charakteristické spektrální čáry známé jako "molekulární otisky prstů", které lze použít pro vysokou rychlost, vysoké rozlišení, vysokou spektrální citlivost, vysoký poměr signálu k šumu měření střední infračervené spektroskopie [2] ; molekuly vody v okolí 3um mají silný absorpční vrchol, takže mohou být použity v mnoha lékařských operacích; se nachází v molekulární kovalentní vazbě absorpčního spektrálního pásu, které lze použít pro detekci molekulárního obsahu a molekulárního typu identifikace, pro dosažení molekulárního zobrazení a tak dále.
Komerčně dostupné střední infračervené laserové zdroje zahrnují OPO parametrické oscilační lasery, superkontinuální spektrální světelné zdroje, kvantové kaskádové lasery a vláknové lasery.
Střední infračervený vláknový laser, podle realizace středního infračerveného vlákna, lze rozdělit na aktivní a pasivní aspekty, zejména včetně středního infračerveného laseru na bázi dopovaných vzácných zemin, jako je Er3 plus , Dy3 plus dopovaný vláknový laser ZBLAN ; střední infračervený laser založený na nelineárním efektu, jako je Ramanův laser, superkontinuální spektrum laseru; založené na dutém optickém vláknu se speciální vlnovodovou strukturou, s různými plyny pro dosažení různých vlnových délek. Různé vlnové délky středního infračerveného laseru. V posledních letech, s nepřetržitým vývojem a vyspělostí technologie vláknových laserů, je výzkum kolem technologie středního infračerveného laseru horký, související experimenty a zprávy o produktech jsou nekonečné a zde diskutujeme pouze o jednovlnném středním infračerveném vláknovém laseru. na získání aktivní vlákniny.
Er: optické vlákno ZBLAN
Vzhledem k tomu, že prvek vzácných zemin má bohatou strukturu energetické hladiny, částice jsou excitovány na vyšší energetické hladiny absorpcí v základním stavu při vlnových délkách čerpadla 655 nm, 790 nm a 980 nm a emise 1,55 um může být produkována radiačním přenosem z Energetická hladina 4I13/2 na energetickou hladinu 4I15/2 a emise 2,8 um převedením z energetické hladiny 4I11/2 na energetickou hladinu 4I13/2. Skok částice z energetické úrovně 4F9/2 na energetickou úroveň 4I9/2 může způsobit emisi 3,5um. V současné době je to relativně běžná metoda pro získání 2,8um laseru z vysokokoncentračně dopovaných vláken Er:ZBLAN [4]
Fluoridové vlákno se používá pro 2-3um světelný výstup, sulfidové vlákno se používá pro 3-6.5um světelný výstup a delší vlnové délky než 6,5um mohou být na výstupu s halogenidovým vláknem. Fluoridové vlákno je hlavně fluorid hlinitý (AlF3), ZBLAN (53 procent ZrF4-20 procent BaF2-4 procent LaF3-3 procent AlF3-20 procent NaF) nebo fluorid indium (InF3) atd. jako matricový materiál fluoridových vícesložkových skleněných vláken. Jedním ze ZBLAN je v současné době běžněji používané optické vlákno, lze dosáhnout dopingu vzácných zemin, protože jeho proces fúzního spojování s optickým vláknem na bázi křemíku je relativně vyspělý, lze použít komerční fúzní stroje na spojování optických vláken, lze použít vlákna InF a AlF používané jako zařízení s optickými vlákny (jako je slučovač paprsků) a výroba koncových uzávěrů optických vláken. Ale snadná vlhkost je hlavní nevýhodou fluoridových vláken.
2,8um střední infračervený kontinuální vláknový laser
V roce 1988 Brierley oznámil první 2,7um Er3 plus dopovaný vláknový laser[5].
V roce 1999 dosáhl výstupní výkon vláknového laseru Er:ZBLAN průlom ve wattovém měřítku a Jackson et al[6] dosáhli laserového výkonu 1,7 W s použitím Er3 plus / Pr3 plus kodopovaného vlákna ZBLAN.
V 21. století s rozvojem technologie přípravy vláken a technologie vláknového laseru se výkon 3um-pásmových laserů dále zvýšil. Mezi nimi Kyoto University v Japonsku, University of Adelaide v Austrálii, Laval University v Kanadě a Shenzhen University v Číně v laboratoři oznámily velmi vynikající experimentální pokrok.
V roce 2015 Fortin et al [7] z Laval University v Kanadě uvedli laser s dopovaným fluoridovým vláknem Er3 plus s výstupním výkonem 30,5 W a výstupní vlnovou délkou 2938 nm. Systém využíval vláknovou Braggovu mřížku založenou na intra-core leptání, tj. mřížky s vysokým a nízkým odrazem byly vyleptány ve vláknech ZBLAN a Er:ZBLAN, aby vytvořily 10 m dlouhou rezonanční dutinu, a konec vlákna byl připojen s AlF3 endcapem pro snížení rozplývavosti a pro zlepšení stability laseru, s celkovou účinností laseru 16 procent při 980 nm čerpání.
V roce 2018 dokončili Aydin et al [8], Laval University, Kanada, mřížkové leptání v celé části vlákna Er:ZBLAN a dosáhli laserového výkonu 41,6 W při 2,8 um pomocí kontinuálního vláknového laseru v režimu duálního čerpání. . Toto je nejvyšší známý výstupní výkon středně infračerveného vláknového laseru Er:ZBLAN.
V roce 2021 Chunyu Guo et al[10] z univerzity v Shenzhenu oznámili první 2,8um střední infračervený laserový výstup s celovláknovou strukturou o výkonu 20W v Číně. Použité vlákno dopované Er3 plus :ZrF4 má průměr 15 um, numerickou aperturu NA asi 0,12, celkovou délku 6,5 m, absorpční koeficient 2-3dB/m@976nm a vysoce reflexní mřížku (99 procent HR-FBG) a mřížka s nízkou odrazivostí (10 procent OC-FBG) přímo napsaná na ziskovém vláknu se střední vlnovou délkou 2825 nm, která tvoří rezonanční dutinu s vláknem Er. Jak je znázorněno na obr. ▼ Proces fúzního spojování vláken na bázi křemíku a vláken ZBLAN, stejně jako proces fúzního spojování koncových uzávěrů a pasivních vláken, byl nezávisle vyvinut týmem reportéra, který vyrobil ochranné optické filtry a Koncovky z vláken AlF3. Účinnost přeměny optiky na optiku je 14,5 procenta při výkonu čerpadla 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 letech úsilí pracovníci vláknového laseru výrazně optimalizovali zpracování středního infračerveného vlákna, současné použití komerčních speciálních zařízení na zpracování vláken, můžete získat nižší fúzní ztráty, se používá ve středním infračerveném režimu pole dohazovač, slučovač / rozdělovač , výstupní koncovku a řadu dalších zařízení, aby byla uvedena na trh celovláknová struktura zdroje středního infračerveného světla.
Středně infračervený Q-pulzní vláknový laser
V roce 2020 Sojka et al [11] použili 30W 975nm laserem čerpané jádro o průměru 15 um, 7% molární koncentraci Er:ZBLAN dvojitě opláštěné vlákno k dosažení akusticko-optického Q-modulovaného výstupu vlákna laserem o vlnové délce 2,8 um při opakovací frekvenci 10 kHz a laserovým výstupem s energií pulzu 46 uJ v 1,1 m dlouhém vláknu Er:ZBLAN s pulzem o špičkovém výkonu 0,821 kW s šířka pulzu 56 ns. 2021 použili multimódové vlákno Er:ZBLAN s průměrem jádra 35um a šířkou pulzu 26ns se špičkovým výkonem 12,7 kW a energií pulzu 330 uJ [12].
V 2021 Shen a kol. dosáhl prvního pulzního laserového výstupu 2,8 um pomocí elektrooptické Q modulace. Jako médium zesílení s NA 0,12 bylo použito vlákno ZBLAN s průměrem jádra 33 um dopované koncentrací Er 6 procent a elektrooptický modulátor byl vybrán jako krystal RTP s šířkou pulzu 13,1 ns energie pulzu 205,7. uJ a špičkový výkon 15,7 kW, což je nejvyšší špičkový výkon Er:ZBLAN modulovaný Q vláknový laser, o kterém je známo, že byl hlášen.
Ultrarychlý vláknový laser s uzamčením středního infračerveného režimu
Existují vlákna dotovaná Tm ve vláknech na bázi křemíku pro výstup 2um laserů a tato technologie je relativně vyspělá, přičemž vyšší specifikace byly dosaženy jedna po druhé, jak technologie vláken a zařízení dospívají.
V roce 2018 Jena University oznámila průměrný výkon 1000 W, 256 fs 2um ultrarychlého laseru využívajícího vlákno fotonického krystalu dopované Tm s velkou oblastí modového pole, 50/250-Tm-PM-PCF. toto je dosud nejvyšší metrika pro podobné experimenty.
Pro pásmo vlnových délek nad 2 um využívá většina současných výzkumných prací s vláknovým laserem technologii pasivního zamykání režimu, zejména ve formě saturovatelné absorpce a také nelineárních efektů. První používá materiály s opticky saturovatelnými absorpčními vlastnostmi jako zařízení s uzamčeným režimem, jako je SESAM, kovy dopované krystaly, jako je Fe:ZnSe atd., zatímco druhý využívá optické nelineární efekty a další prostředky k vytvoření ekvivalentních saturovatelných absorbérů, jako je např. nelineární polarizační rotace (NPR), nelineární optické smyčkové zrcadlo (NOLM) atd.
V roce 2020 Guo et al [14] uvedli, že tenké filmy WSe2 byly pěstovány jako SA pomocí CVD a přeneseny do pozlacených zrcadel za vzniku WSe2-SAM, na jehož základě byl vytvořen pulz s uzamčeným režimem s šířkou pulzu 21 ps, refrekvence 42,43 MHz a průměrný výkon 360 mW bylo dosaženo použitím 980 nm laseru čerpaného s 6% molární koncentrací Er:ZBLAN vlákna.
V roce 2022 Qin et al [15] z Shanghai Jiaotong University připravili InAs/GaSb supermřížkový SESAM pomocí techniky epitaxního růstu s molekulárním paprskem, která dokáže flexibilně upravit rozsah odezvy saturovatelného absorbéru, hustotu saturační energie a dobu zotavení a další parametry a dosáhl stabilního výstupu s uzamčeným režimem z vláknového laseru 3,5um Er:ZBLAN s šířkou pulzu 14,8 ps, průměrným výkonem 149 mW a opakovací frekvencí 36,56 MHz.
V roce 2019 Qin et al [16] z Shanghai Jiaotong University dále zkrátili šířku pulsu s uzamčeným režimem na 215 fs pomocí Ge tyčí pro řízení disperze, s energií pulsu 9,3 nJ a špičkovým výkonem 43,3 kW.
V roce 2020 Gu a spol. [17] ze Shanghai Jiaotong University oznámili solitonový puls s výstupem 131 fs mode-locked, špičkovým výkonem 22,68 kW a energií pulsu 3 nJ na základě techniky NPR pro 2,8 μm Er∶ZBLAN vláknový laser.
V témže roce Huang et al [18] dosáhli výstupu s uzamčeným režimem o šířce pulsu 126 fs a energii pulsu 10 nJ čerpáním 3,3 m dlouhého vlákna Er: ZBLAN při 980 nm pomocí techniky NPR a zesilovač Er:ZBLAN a nelineární vlákno ZBLAN dále komprimovaly šířku pulzu na 15,9 fs s konečným špičkovým výkonem pulzu 500 kW.
V roce 2022 Yu et al [19] připravili pulzní zdroj světla se šířkou pulzu 283 fs pomocí 2,4 m dlouhého vlákna Er:ZBLAN dopovaného 7% molární koncentrací a dále komprimovali šířku pulzu na 59 fs pomocí nelineárního zesílení. , čímž se získá pulsní průměrný výkon až 4,13 W, což je dosud nejvyšší průměrný výstupní výkon vláknového laseru s uzamčeným režimem pod sto femtosekund.
Czačlenění
Středně infračervený vláknový laser, s kompaktním vláknovým laserem, menší údržba, vysoká stabilita, vysoká kvalita paprsku a mnoho dalších výhod, fluoridová, sulfidová, halogenidová, dutá vlákna a další středně infračervená vlákna, z aplikací výkonových, spektrálních a optických zařízení , a další aspekty vývoje středního infračerveného laseru výrazně podpořily vývoj středního infračerveného laseru, protože materiály středního infračerveného záření a technologie optických vláken stále zrají, bude k dispozici více vysoce kvalitních středních infračervených vláknových laserů produkty, které se objeví v národní obraně, vědeckém výzkumu, průmyslové výrobě, lékařské péči a dalších oblastech, aby hrály stále větší roli.
