Laserul cu infraroșu mediu de 2um-5um are propriile aplicații unice: această bandă acoperă mai multe ferestre atmosferice, ceea ce o face utilă pentru LIDAR, comunicații atmosferice, distanță laser, calibrarea spectrometrelor astronomice cu rezoluție ultra-înaltă și detecție optoelectronică, etc. [1]; banda de infraroșu mediu conține liniile spectrale caracteristice cunoscute sub denumirea de „amprente moleculare”, care pot fi utilizate pentru viteză mare, rezoluție mare, sensibilitate spectrală ridicată, raportul semnal-zgomot ridicat al măsurării spectroscopiei în infraroșu mediu [2] ; moleculele de apă din vecinătatea 3um au un vârf de absorbție puternic, astfel încât poate fi folosită în multe operații medicale; este situat în legătura covalentă moleculară a benzii spectrale de absorbție, care poate fi utilizată pentru detectarea conținutului molecular și a tipului molecular de identificare, pentru a realiza imagistica moleculară și așa mai departe.
Sursele laser cu infraroșu mediu disponibile comercial includ lasere oscilante parametrice OPO, surse de lumină spectrală supercontinuă, lasere cu cascadă cuantică și lasere cu fibră.
Laserul cu fibră în infraroșu mijlociu, conform realizării fibrei în infraroșu mijlociu, poate fi împărțit în aspecte active și pasive, incluzând în principal laserul cu infraroșu mediu bazat pe pământuri rare dopate, cum ar fi Er3 plus, Dy3 plus laserul cu fibră ZBLAN dopat. ; laser cu infraroșu mediu bazat pe efectul neliniar, cum ar fi laserul Raman, spectrul super-continuu al laserului; bazat pe fibra optică cu miez gol cu structură specială de ghid de undă, cu diferite gaze pentru a obține lungimi de undă diferite. Lungimi de undă diferite ale laserului cu infraroșu mediu. În ultimii ani, odată cu dezvoltarea și maturitatea continuă a tehnologiei laser cu fibră, cercetarea în jurul tehnologiei laser cu infraroșu mediu este fierbinte, experimentele și rapoartele legate de produse sunt nesfârșite și aici discutăm doar despre laserul cu fibră cu infraroșu mediu cu o singură lungime de undă. on gain fibre active.
Er: Fibră optică ZBLAN
Er, deoarece un element de pământ rar are o structură bogată la nivel de energie, particulele sunt excitate la niveluri mai mari de energie prin absorbția stării fundamentale la lungimi de undă ale pompei de 655 nm, 790 nm și 980 nm, iar emisia de 1,55 um poate fi produsă prin transfer radiativ de la Nivel de energie 4I13/2 la nivelul de energie 4I15/2 și emisie de 2,8 um prin transferul de la nivelul de energie 4I11/2 la nivelul de energie 4I13/2. Saltul de particule de la nivelul de energie 4F9/2 la nivelul de energie 4I9/2 poate produce o emisie de 3,5um. În prezent, este o metodă relativ comună de a obține 2,8um laser din fibre Er: ZBLAN dopate cu concentrație mare [4]
Fibra de fluorură este utilizată pentru ieșirea luminoasă de 2-3um, fibra de sulfură este folosită pentru ieșirea luminii de 3-6,5 um și cu fibre de halogenură pot fi ieșite lungimi de undă mai mari de 6,5 um. Fibra de fluorură este în principal fluorură de aluminiu (AlF3), ZBLAN (53 la sută ZrF4-20 la sută BaF2-4 la sută LaF3-3 la sută AlF{3-20 la sută NaF) sau fluorură de indiu (InF3) , etc. ca material de matrice a fibrei de sticlă multicomponentă fluorură. Unul dintre ZBLAN este în prezent fibră optică mai frecvent utilizată, se poate realiza dopajul cu pământuri rare, deoarece procesul său de îmbinare prin fuziune cu fibră optică pe bază de siliciu este relativ matur, pot fi utilizate mașini comerciale de îmbinare cu fibră optică, fibra InF și AlF. utilizat ca dispozitiv de fibră optică (cum ar fi combinatorul de fascicule) și producția de capace de capăt pentru fibră optică. Dar ușor de umezit este principalul dezavantaj al fibrei cu fluor.
Laser cu fibră continuă cu infraroșu mediu de 2,8um
În 1988, Brierley a raportat primul laser cu fibră dopată Er3 plus de 2,7um[5] .
În 1999, puterea de ieșire a laserului cu fibră Er:ZBLAN a realizat o descoperire în scara de wați, iar Jackson și colab. [6] au obținut o putere de ieșire a laserului de 1,7 W utilizând fibra ZBLAN co-dopată Er3 plus / Pr3 plus.
În secolul 21, odată cu dezvoltarea tehnologiei de pregătire a fibrelor și a tehnologiei laser cu fibre, puterea laserelor cu bandă 3um a fost crescută și mai mult. Printre acestea, Universitatea Kyoto din Japonia, Universitatea din Adelaide din Australia, Universitatea Laval din Canada și Universitatea Shenzhen din China în laborator, au raportat progrese experimentale foarte excelente.
În 2015, Fortin și colab. [7] de la Universitatea Laval, Canada, au raportat un laser cu fibră cu fluorură dopată Er3 plus cu o putere de ieșire de 30,5 W și o lungime de undă de ieșire de 2938 nm. Sistemul a folosit un grătar Bragg de fibre bazat pe gravarea intra-core, adică rețele de reflexie înaltă și joasă au fost gravate în fibrele ZBLAN și, respectiv, Er:ZBLAN, pentru a forma o cavitate rezonantă de 10 m lungime, iar capătul de coadă a fibrei a fost conectat. cu un capac de capăt AlF3 pentru a reduce delicscența și pentru a îmbunătăți stabilitatea laserului, cu o eficiență totală a laserului de 16% la pomparea la 980 nm.
În 2018, Aydin și colab. [8], Universitatea Laval, Canada, au finalizat gravarea cu rețea într-o secțiune întreagă de fibră Er:ZBLAN și au obținut o putere laser de 41,6 W la 2,8 um folosind un laser cu fibră continuă într-un mod de pompare dublă . Aceasta este cea mai mare putere de ieșire cunoscută a unui laser cu fibră în infraroșu mijlociu Er:ZBLAN.
În 2021, Chunyu Guo și colab.[10] de la Universitatea Shenzhen au raportat prima ieșire laser cu infraroșu mediu de 2,8 um cu o structură din fibre la o putere de 20 W în China. Fibra dopată Er3 plus :ZrF4 utilizată are un diametru de 15um, o deschidere numerică NA de aproximativ 0,12, o lungime totală de 6,5 m, un coeficient de absorbție de 2-3dB/m@976nm și un grătar cu reflexie ridicată. (99 la sută HR-FBG) și o rețea cu reflectare scăzută (10 la sută OC-FBG) înscris direct pe o fibră de câștig, cu o lungime de undă centrală de 2825 nm, care formează o cavitate de rezonanță cu fibra Er. După cum se arată în Fig. ▼ Procesul de legare prin fuziune a fibrelor pe bază de siliciu și ZBLAN, precum și procesul de legare prin fuziune a capacelor de capăt și a fibrelor pasive, a fost dezvoltat independent de echipa reporterului, care a fabricat filtrele optice de placare și Capace din fibra AlF3. Eficiența conversiei optice-optice este de 14,5% atunci când puterea pompei este de 140W, 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]
După ani de eforturi, lucrătorii cu laser cu fibră, au optimizat foarte mult procesarea fibrei în infraroșu mijlociu, utilizarea curentă a echipamentelor speciale de procesare a fibrelor comerciale, puteți obține pierderi de fuziune mai mici, este utilizat în modul de potrivire a câmpului în infraroșu mijlociu, combinator/splitter , capacul final de ieșire și o varietate de alte dispozitive, astfel încât să lanseze structura din fibre la nivel de produs a sursei de lumină cu infraroșu mijlociu.
Laser cu fibră Q-pulsed cu infraroșu mijlociu
În 2020, Sojka și colab. [11] au folosit un laser de 30 W 975 nm pompat cu un diametru de miez de 15 um, concentrație molară de 7 procente Er:ZBLAN fibre cu dublă placare pentru a obține o ieșire modulată Q acusto-optic a unei fibre laser la o lungime de undă de 2,8 um la o frecvență de repetiție de 10 kHz și o ieșire laser cu o energie a impulsului de 46 uJ într-o fibră Er:ZBLAN de 1,1 m lungime cu un impuls de putere de vârf de 0,821 kW cu un lățimea impulsului de 56 ns. 2021, au folosit o fibră multimodală Er:ZBLAN cu un diametru al miezului de 35um și o lățime a impulsului de 26 ns, cu o putere de vârf de 12,7 kW și o energie a impulsului de 330 uJ [12].
În 2021, Shen et al. a obținut prima ieșire laser în impulsuri de 2,8um utilizând modulația Q electro-optică. O fibră ZBLAN cu un diametru al miezului de 33um dopat cu concentrația Er de 6 procente a fost utilizată ca mediu de câștig cu NA 0,12, iar modulatorul electro-optic a fost selectat pentru a fi un cristal RTP cu o lățime a impulsului de 13,1 ns energie a impulsului de 205,7 uJ și o putere de vârf de 15,7 kW, care este cea mai mare putere de vârf cu laser cu fibră Q modulată Er:ZBLAN despre care se știe că a fost raportată.
Laser cu fibră ultrarapidă blocat în modul infraroșu mediu
Există fibre dopate cu Tm în fibre pe bază de siliciu pentru ieșirea laserelor 2um, iar tehnologia a fost relativ matură, cu specificații mai înalte atinse una câte una pe măsură ce tehnologiile de fibre și dispozitive se maturizează.
În 2018, Universitatea Jena a raportat o putere medie de 1000 W, 256 fs de laser ultrarapid de 2um care utilizează o fibră de cristal fotonic dopată cu Tm cu o zonă mare de câmp, 50/250-Tm-PM-PCF. aceasta este cea mai mare valoare pentru experimente similare de până acum.
Pentru banda de lungime de undă de peste 2um, cea mai mare parte a cercetării actuale cu laserul cu fibre adoptă tehnologia de blocare a modului pasiv, în principal sub formă de absorbție saturabilă, precum și efecte neliniare. Primul folosește materiale cu proprietăți de absorbție saturabile optic ca dispozitive blocate în mod, cum ar fi SESAM, cristale dopate cu metal, cum ar fi Fe: ZnSe, etc., în timp ce al doilea utilizează efecte optice neliniare și alte mijloace pentru a genera absorbanți saturabili echivalenti, cum ar fi rotație de polarizare neliniară (NPR), oglindă în buclă optică neliniară (NOLM), etc.
În 2020, Guo et al [14] au raportat că filmele subțiri WSe2 au fost crescute ca SA folosind CVD și transferate în oglinzi placate cu aur pentru a forma WSe2-SAM, pe baza căruia un impuls blocat în mod cu o lățime a impulsului de 21 ps, o re-frecvență de 42, 43 MHz și o putere medie de 360 mW au fost obținute folosind un laser de 980 nm pompat cu o concentrație molară de 6 procente de fibră Er:ZBLAN.
În 2022, Qin et al [15] de la Universitatea Jiaotong din Shanghai au pregătit SESAM superlatice InAs/GaSb utilizând tehnica de creștere epitaxială a fasciculului molecular, care poate ajusta în mod flexibil intervalul de răspuns al absorbantului saturabil, densitatea energiei de saturație și timpul de recuperare și alți parametri, și a obținut o ieșire stabilă blocată în mod de la un laser cu fibră Er:ZBLAN de 3,5um cu o lățime a impulsului de 14,8 ps, o putere medie de 149 mW și o frecvență de repetiție de 36,56 MHz.
În 2019, Qin et al [16] de la Universitatea Jiaotong din Shanghai au scurtat și mai mult lățimea impulsului blocat în mod la 215 fs folosind tije Ge pentru gestionarea dispersiei, cu o energie a impulsului de 9,3 nJ și o putere de vârf de 43,3 kW.
În 2020, Gu și colab. [17] de la Universitatea Jiaotong din Shanghai a raportat un impuls soliton cu ieșire blocată în mod de 131 fs, putere de vârf de 22,68 kW și energie de impuls de 3 nJ bazată pe tehnica NPR pentru un laser cu fibră Er∶ZBLAN de 2,8 μm.
În același an, Huang și colab. [18] au obținut o ieșire blocată în mod cu o lățime a impulsului de 126 fs și o energie a impulsului de 10 nJ prin pomparea unei fibre Er: ZBLAN de 3,3 m lungime la 980 nm folosind tehnica NPR și amplificatorul Er: ZBLAN și fibra neliniară ZBLAN au comprimat și mai mult lățimea impulsului la 15,9 fs, cu o putere finală a impulsului de vârf de 500 kW.
În 2022, Yu et al [19] au pregătit o sursă de lumină pulsată pentru semințe cu o lățime a impulsului de 283 fs folosind o fibră Er:ZBLAN de 2,4 m lungime dopată cu o concentrație molară de 7 procente și au comprimat în continuare lățimea impulsului la 59 fs folosind amplificarea neliniară. , obținând o putere medie în impulsuri de până la 4,13 W, care este cea mai mare putere medie de ieșire a unui laser cu fibră blocat în modul de sub o sută de femtosecunde până în prezent.
Concluzie
Laser cu fibră în infraroșu mijlociu, cu laser cu fibră compactă, întreținere mai mică, stabilitate ridicată, calitate ridicată a fasciculului și multe alte avantaje, fluor, sulfură, halogenură, fibre goale și alte fibre în infraroșu mediu, din aplicațiile de putere, spectrale, fibră optică , și alte aspecte ale dezvoltării laserului în infraroșu mijlociu a promovat foarte mult dezvoltarea laserului în infraroșu mijlociu, cu materialele în infraroșu mediu și tehnologia cu fibră optică continuă să se maturizeze, vor exista mai multe laser cu fibră în infraroșu mediu de înaltă calitate produse să iasă în apărare națională, cercetare științifică, producție industrială, îngrijire medicală și alte domenii să joace un rol din ce în ce mai mare.
