2um-5um средноинфрачервеният лазер има свои собствени уникални приложения: тази лента покрива няколко атмосферни прозореца, което го прави полезен за LIDAR, атмосферни комуникации, лазерно определяне на обхвата, калибриране на астрономически спектрометри със свръхвисока разделителна способност и оптоелектронно откриване, и др. [1]; средната инфрачервена лента съдържа характерните спектрални линии, известни като "молекулярни пръстови отпечатъци", които могат да се използват за висока скорост, висока разделителна способност, висока спектрална чувствителност, високо съотношение сигнал/шум на средно инфрачервено спектроскопско измерване [2] ; водните молекули в близост до 3um имат силен пик на абсорбция, така че да могат да се използват в много медицински операции; се намира в молекулярната ковалентна връзка на спектралната лента на абсорбция, която може да се използва за откриване на молекулно съдържание и молекулен тип идентификация, за постигане на молекулярно изображение и т.н.
Наличните в търговската мрежа лазерни източници със среден инфрачервен диапазон включват OPO параметрични осцилиращи лазери, суперконтинуални спектрални източници на светлина, квантови каскадни лазери и фибровлакнести лазери.
Лазерът със средни инфрачервени влакна, според реализацията на влакната със средни инфрачервени лъчи, може да бъде разделен на активни и пасивни аспекти, включващи главно средно инфрачервен лазер, базиран на легирана редка земя, като Er3 plus, Dy3 плюс легиран ZBLAN влакнен лазер ; среден инфрачервен лазер, базиран на нелинейния ефект, като Рамановия лазер, супер-континуумния спектър на лазера; на базата на оптично влакно с куха сърцевина със специална вълноводна структура, с различни газове за постигане на различни дължини на вълната. Различни дължини на вълните на средноинфрачервения лазер. През последните години, с непрекъснатото развитие и зрялост на фибро лазерната технология, изследванията около средната инфрачервена лазерна технология са горещи, свързаните експерименти и доклади за продукти са безкрайни и тук обсъждаме само базирания на единичен инфрачервен лазер с една дължина на вълната на печалба активни фибри.
Er: ZBLAN оптично влакно
Тъй като редкоземният елемент има богата структура на енергийно ниво, частиците се възбуждат до по-високи енергийни нива чрез абсорбция в основното състояние при дължини на вълната на помпата от 655 nm, 790 nm и 980 nm, а емисия от 1,55 um може да бъде произведена чрез радиационен трансфер от 4I13/2 енергийно ниво до 4I15/2 енергийно ниво и 2,8 um излъчване чрез прехвърляне от 4I11/2 енергийно ниво към 4I13/2 енергийно ниво. Скокът на частиците от енергийно ниво 4F9/2 до енергийно ниво 4I9/2 може да произведе емисия от 3,5 um. Понастоящем това е сравнително масов метод за получаване на 2,8 um лазер от висококонцентрирани легирани Er: ZBLAN влакна [4]
Флуоридните влакна се използват за 2-3um светлинен изход, сулфидните влакна се използват за 3-6.5um светлинен изход, а по-дълги дължини на вълните от 6,5um могат да бъдат изведени с халогенни влакна. Флуоридните влакна са главно алуминиев флуорид (AlF3), ZBLAN (53 процента ZrF4-20 процента BaF2-4 процента LaF3-3 процента AlF3-20 процента NaF) или индиев флуорид (InF3) и т.н. като матричен материал от флуоридни многокомпонентни стъклени влакна. Едно от ZBLAN в момента е по-често използвано оптично влакно, може да се постигне редкоземно легиране, тъй като неговият процес на снаждане със силициеви оптични влакна е относително зрял, могат да се използват търговски машини за снаждане на оптични влакна, InF и AlF влакна могат да бъдат използвани като устройство за оптични влакна (като комбиниране на лъчи) и производство на крайни капачки за оптични влакна. Но лесната за влага е основният недостатък на флуоридните влакна.
2,8 um среден инфрачервен лазер с непрекъснати влакна
През 1988 г. Брайърли докладва за първия 2,7 um Er3 плюс лазер с легирани влакна[5].
През 1999 г. изходната мощност на лазера с влакна Er:ZBLAN постигна пробив във ватовата скала и Jackson et al [6] постигнаха лазерна мощност от 1,7 W, използвайки Er3 плюс / Pr3 плюс съвместно легирани ZBLAN влакна.
През 21 век, с развитието на технологията за подготовка на влакна и технологията за влакнест лазер, мощността на 3um-лентовите лазери беше допълнително увеличена. Сред тях, университетът Киото в Япония, университетът на Аделаида в Австралия, университетът Лавал в Канада и университетът Шенжен в Китай в лабораторията са отчели много отличен експериментален напредък.
През 2015 г. Fortin et al [7] от университета Лавал, Канада, съобщават за Er3 плюс лазер с флуоридни влакна с изходна мощност от 30,5 W и изходна дължина на вълната от 2938 nm. Системата използва влакнеста Bragg решетка, базирана на ецване в сърцевината, т.е. решетки с високо и ниско отражение бяха гравирани съответно във влакната ZBLAN и Er:ZBLAN, за да се образува резонансна кухина с дължина 10 m, а краят на опашката на влакното беше свързан с AlF3 крайна капачка за намаляване на разслояването и за подобряване на стабилността на лазера, с обща ефективност на лазера от 16 процента при изпомпване от 980 nm.
През 2018 г. Aydin et al [8], Laval University, Канада, завърши ецване на решетка в цяла секция от Er:ZBLAN влакно и постигна лазерна мощност от 41,6 W при 2,8 um, използвайки лазер с непрекъснати влакна в режим на двойно изпомпване . Това е най-високата известна отчетена изходна мощност на Er:ZBLAN оптичен лазер със среден инфрачервен диапазон.
През 2021 г. Chunyu Guo et al[10] от университета в Шенжен съобщават за първия 2,8 um средно инфрачервен лазерен изход с изцяло влакнеста структура при мощност 20 W в Китай. Използваното легирано влакно Er3 plus :ZrF4 има диаметър 15 um, числова апертура NA около 0,12, обща дължина 6,5 m, коефициент на поглъщане 2-3dB/m@976nm и решетка с висока степен на отразяване (99 процента HR-FBG) и решетка с ниско отразяване (10 процента OC-FBG), директно вписана върху усилващо влакно, с централна дължина на вълната 2825 nm, което образува резонансна кухина с Er влакното. Както е показано на Фиг. ▼ Процесът на свързване на основата на силиций и ZBLAN влакната, както и процесът на свързване на крайните капачки и пасивните влакна, е разработен независимо от екипа на репортера, който изработи облицовъчните оптични филтри и Крайни капачки от влакна AlF3. Ефективността на оптичното към оптично преобразуване е 14,5%, когато мощността на помпата е 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]
След години на усилия, работниците на фибролазера, значително оптимизираха обработката на средно инфрачервено влакно, текущото използване на комерсиално специално оборудване за обработка на влакна, можете да получите по-ниски загуби от синтез, се използва в полеви съвпадач, комбинатор/сплитер в режим на среден инфрачервен режим , крайната капачка на изхода и различни други устройства, така че да стартират изцяло влакнеста структура на нивото на продукта на средноинфрачервения източник на светлина.
Среден инфрачервен Q-импулсен оптичен лазер
В 2020 Sojka et al [11] използваха 30 W 975 nm лазерно изпомпвано 15 um диаметър на сърцевината, 7 процента моларна концентрация Er:ZBLAN влакно с двойна обвивка, за да постигнат акустооптичен Q-модулиран изход на влакно лазер при дължина на вълната 2,8 um при честота на повторение 10 kHz и лазерен изход с импулсна енергия 46 uJ в 1,1 m дълго Er:ZBLAN влакно с импулс с пикова мощност 0,821 kW с a ширина на импулса 56 ns. 2021 г. те използваха многомодово влакно Er: ZBLAN с диаметър на сърцевината 35 um и ширина на импулса 26 ns с пикова мощност 12,7 kW и импулсна енергия 330 uJ [12].
В 2021, Shen et al. постигна първия импулсен лазерен изход от 2,8 um, използвайки електрооптична Q модулация. ZBLAN влакно с диаметър на сърцевината от 33 um, легирано с концентрация на Er от 6 процента, беше използвано като усилваща среда с NA 0,12, а електрооптичният модулатор беше избран да бъде RTP кристал с ширина на импулса от 13,1 ns импулсна енергия от 205,7 uJ и пикова мощност от 15,7kW, което е най-високата пикова мощност Er:ZBLAN модулиран Q влакнест лазер, за който е известно, че е докладвано.
Свръхбърз оптичен лазер със заключен режим на средна инфрачервена връзка
Има Tm-легирани влакна във влакна на основата на силиций за изхода на 2um лазери и технологията е относително зряла, като по-високите спецификации се постигат една по една с развитието на технологиите за влакна и устройства.
През 2018 г. университетът в Йена съобщи за 1000 W средна мощност, 256 fs на 2um ултрабърз лазер, използващ фотонно кристално влакно с добавка на Tm с голяма площ на модовото поле, 50/250-Tm-PM-PCF. това е най-високият показател за подобни експерименти досега.
За лентата с дължина на вълната над 2 um, по-голямата част от текущата изследователска работа с оптичен лазер използва пасивна технология за заключване на режима, главно под формата на насищаща се абсорбция, както и нелинейни ефекти. Първият използва материали с оптично наситени абсорбционни свойства като устройства със заключен режим, като SESAM, легирани с метал кристали като Fe: ZnSe и др., докато вторият използва оптични нелинейни ефекти и други средства за генериране на еквивалентни насищащи се абсорбери, като напр. нелинейно поляризационно въртене (NPR), нелинейно оптично контурно огледало (NOLM) и др.
През 2020 г. Guo et al [14] съобщават, че тънките филми WSe2 са отгледани като SA с помощта на CVD и са прехвърлени в позлатени огледала, за да образуват WSe2-SAM, въз основа на който импулс със заключен режим с ширина на импулса от 21 ps, повторна честота от 42.43 MHz и средна мощност от 360 mW беше постигната с помощта на 980 nm лазер, изпомпван с 6 процента моларна концентрация на Er:ZBLAN влакно.
През 2022 г. Qin et al [15] от Шанхайския университет Jiaotong подготвиха InAs/GaSb суперрешетка SESAM, използвайки техника за епитаксиален растеж на молекулярни лъчи, която може гъвкаво да регулира диапазона на отговор на насищащия се абсорбер, плътността на енергията на насищане и времето за възстановяване и други параметри, и постигна стабилен заключен режим на изход от 3.5um Er:ZBLAN фибърен лазер с ширина на импулса от 14.8 ps, средна мощност от 149 mW и честота на повторение от 36.56 MHz.
През 2019 г. Qin et al [16] от Шанхайския университет Jiaotong допълнително съкратиха ширината на импулса със заключен режим до 215 fs, използвайки Ge пръти за управление на дисперсията, с импулсна енергия от 9,3 nJ и пикова мощност от 43,3 kW.
През 2020 г. Gu et al. [17] от Shanghai Jiaotong University съобщават за солитонен импулс с изход от 131 fs в заключен режим, 22,68 kW пикова мощност и 3 nJ енергия на импулса въз основа на NPR техниката за 2,8 μm Er∶ZBLAN лазер с влакна.
През същата година Huang et al [18] постигнаха заключен режим на изход с ширина на импулса от 126 fs и импулсна енергия от 10 nJ чрез изпомпване на 3,3 m дълго Er: ZBLAN влакно при 980 nm, използвайки NPR техниката, и Er: усилвателят ZBLAN и нелинейното влакно ZBLAN допълнително компресираха ширината на импулса до 15,9 fs, с крайна пикова мощност на импулса от 500 kW.
През 2022 г. Yu et al [19] подготви източник на импулсна зародишна светлина с ширина на импулса 283 fs, използвайки 2,4 m дълго Er:ZBLAN влакно, легирано със 7 процента моларна концентрация, и допълнително компресира ширината на импулса до 59 fs, използвайки нелинейно усилване , получавайки импулсна средна мощност до 4,13 W, което е най-високата средна изходна мощност на под сто фемтосекунден оптичен лазер със заключен режим до момента.
Cвключване
Лазер със средни инфрачервени влакна, с компактен влакнест лазер, по-малко поддръжка, висока стабилност, високо качество на лъча и много други предимства, флуорид, сулфид, халогенид, кухи влакна и други влакна със средни инфрачервени влакна, от приложения за мощност, спектрални, оптични устройства , и други аспекти на развитието на средния инфрачервен лазер значително насърчиха развитието на средния инфрачервен лазер, със средните инфрачервени материали и оптичната технология продължава да се развива, ще има повече висококачествени средно инфрачервени лазерни влакна продукти, които да излязат в националната отбрана, научните изследвания, промишленото производство, медицинските грижи и други области, които да играят все по-голяма роля.
