Srednji infrardeči laser 2um-5um ima svoje edinstvene aplikacije: ta pas pokriva več atmosferskih oken, zaradi česar je uporaben za LIDAR, atmosferske komunikacije, lasersko določanje razdalje, kalibracijo astronomskih spektrometrov z ultra visoko ločljivostjo in optoelektronsko detekcijo, itd [1]; srednji infrardeči pas vsebuje značilne spektralne črte, znane kot "molekularni prstni odtisi", ki se lahko uporabljajo za meritve visoke hitrosti, visoke ločljivosti, visoke spektralne občutljivosti, visokega razmerja med signalom in šumom meritev srednje infrardeče spektroskopije [2] ; molekule vode v bližini 3 um imajo močan vrh absorpcije, tako da se lahko uporabljajo v številnih medicinskih operacijah; se nahaja v molekularni kovalentni vezi absorpcijskega spektralnega pasu, ki se lahko uporablja za odkrivanje molekularne vsebnosti in molekularne vrste identifikacije, za doseganje molekularnega slikanja itd.
Komercialno dostopni laserski viri srednjega infrardečega spektra vključujejo parametrične oscilacijske laserje OPO, spektralne svetlobne vire superkontinuuma, kvantne kaskadne laserje in laserje z vlakni.
Laser s srednjimi infrardečimi vlakni lahko glede na realizacijo srednjega infrardečega vlakna razdelimo na aktivne in pasivne vidike, predvsem vključno s srednjim infrardečim laserjem na osnovi dopiranih redkih zemelj, kot so Er3 plus, Dy3 plus dopirani laser z vlakni ZBLAN ; srednji infrardeči laser, ki temelji na nelinearnem učinku, kot je Ramanov laser, superkontinualni spekter laserja; temelji na optičnem vlaknu z votlim jedrom s posebno valovodno strukturo, z različnimi plini za doseganje različnih valovnih dolžin. Različne valovne dolžine srednjega infrardečega laserja. V zadnjih letih so z nenehnim razvojem in zrelostjo tehnologije optičnih laserjev raziskave o tehnologiji srednjega infrardečega laserja vroče, s tem povezani poskusi in poročila o izdelkih so neskončni, tukaj pa razpravljamo samo o enovalovni laserski optični laserji srednjega infrardečega spektra. na pridobitev aktivnih vlaknin.
Er: optična vlakna ZBLAN
Ker ima redkozemeljski element bogato strukturo energijskih ravni, se delci vzbudijo na višje energijske ravni z absorpcijo v osnovnem stanju pri valovnih dolžinah črpalke 655 nm, 790 nm in 980 nm, emisija 1,55 um pa lahko nastane s prenosom sevanja iz Energijski nivo 4I13/2 na energijski nivo 4I15/2 in emisija 2,8 um s prenosom iz energijskega nivoja 4I11/2 na energijski nivo 4I13/2. Preskok delcev z energijske ravni 4F9/2 na energijsko raven 4I9/2 lahko povzroči emisijo 3,5 um. Trenutno je razmeroma običajna metoda za pridobivanje 2,8 um laserja iz vlaken z visoko koncentracijo dopiranega Er: ZBLAN [4]
Fluoridna vlakna se uporabljajo za 2-3um svetlobni izhod, sulfidna vlakna se uporabljajo za 3-6.5um svetlobni izhod, daljše valovne dolžine od 6,5um pa lahko oddajajo halogenidna vlakna. Fluoridna vlakna so večinoma aluminijev fluorid (AlF3), ZBLAN (53 odstotkov ZrF4-20 odstotkov BaF2-4 odstotkov LaF3-3 odstotkov AlF3-20 odstotkov NaF) ali indijev fluorid (InF3) , itd. kot matrični material fluoridnih večkomponentnih steklenih vlaken. Eden od ZBLAN je trenutno pogosteje uporabljena optična vlakna, mogoče je doseči dopiranje redkih zemelj, saj je postopek fuzijskega spajanja z optičnimi vlakni na osnovi silicija razmeroma zrel, lahko se uporabljajo komercialni stroji za spajanje optičnih vlaken, vlakna InF in AlF uporablja se kot naprava z optičnimi vlakni (kot je združevalec žarkov) in proizvodnja končnih kapic iz optičnih vlaken. Toda enostavna vlaga je glavna pomanjkljivost fluoridnih vlaken.
2,8 um srednji infrardeči laser z neprekinjenimi vlakni
Leta 1988 je Brierley poročal o prvem laserju z dopiranimi vlakni 2,7 um Er3 plus[5].
Leta 1999 je izhodna moč laserja z vlakni Er:ZBLAN dosegla preboj v vatni lestvici, Jackson in drugi [6] pa so dosegli izhodno moč laserja 1,7 W z uporabo vlaken ZBLAN, dopiranih z Er3 plus / Pr3 plus.
V 21. stoletju se je z razvojem tehnologije priprave vlaken in tehnologije vlakenskega laserja moč 3um-pasovnih laserjev še povečala. Med njimi so Univerza v Kjotu na Japonskem, Univerza v Adelaidi v Avstraliji, Univerza Laval v Kanadi in Univerza Shenzhen na Kitajskem v laboratoriju poročali o zelo odličnem eksperimentalnem napredku.
Leta 2015 so Fortin et al [7] z Univerze Laval v Kanadi poročali o laserju z Er3 plus dopiranimi fluoridnimi vlakni z izhodno močjo 30,5 W in izhodno valovno dolžino 2938 nm. Sistem je uporabil vlakneno Braggovo rešetko, ki je temeljila na jedkanju znotraj jedra, tj. visoko in nizkoodbojne rešetke so bile jedkane v vlakna ZBLAN oziroma Er:ZBLAN, da so oblikovali 10 m dolgo resonančno votlino, konec vlakna pa je bil povezan s končno kapico AlF3 za zmanjšanje raztapljanja in izboljšanje stabilnosti laserja, s skupno učinkovitostjo laserja 16 odstotkov pri črpanju 980 nm.
Leta 2018 so Aydin et al [8] z Univerze Laval v Kanadi dokončali jedkanje rešetke v celotnem odseku vlakna Er:ZBLAN in dosegli lasersko moč 41,6 W pri 2,8 um z uporabo laserja z neprekinjenimi vlakni v načinu dvojnega črpanja. . To je najvišja znana izhodna moč optičnega laserja srednjega infrardečega spektra Er:ZBLAN.
Leta 2021 so Chunyu Guo et al[10] z univerze Shenzhen poročali o prvem laserskem izhodu srednjega infrardečega spektra 2,8 um s strukturo iz vseh vlaken pri moči 20 W na Kitajskem. Uporabljeno vlakno, dopirano z Er3 plus :ZrF4, ima premer 15 um, numerično aperturo NA približno 0,12, skupno dolžino 6,5 m, absorpcijski koeficient 2-3dB/m@976nm in visokoodbojno mrežo (99 odstotkov HR-FBG) in nizko odbojna rešetka (10 odstotkov OC-FBG), neposredno vpisana na ojačevalno vlakno s središčno valovno dolžino 2825 nm, ki tvori resonančno votlino z Er vlaknom. Kot je prikazano na sliki ▼, je poročevalčeva ekipa neodvisno razvila postopek fuzijskega spajanja vlaken na osnovi silicija in vlaken ZBLAN ter postopek fuzijskega spajanja končnih pokrovčkov in pasivnih vlaken, ki je izdelala optične filtre za oblogo in Končni pokrovi iz vlaken AlF3. Učinkovitost pretvorbe optika v optiko je 14,5 odstotka, ko je moč črpalke 140 W, 输出功率20,3 W@2,8 um.
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 letih prizadevanj so delavci z optičnim laserjem močno optimizirali obdelavo srednje infrardečih vlaken, trenutna uporaba komercialne posebne opreme za obdelavo vlaken, lahko dobite manjšo fuzijsko izgubo, se uporablja v srednjem infrardečem načinu polja za ujemanje, kombiniralnik/razdelilnik , izhodno končno kapico in vrsto drugih naprav, da bi zagnali strukturo iz vseh vlaken srednje infrardečega svetlobnega vira na ravni izdelka.
Srednji infrardeči Q-pulzni vlakenski laser
V 2020 so Sojka et al [11] uporabili 30 W 975 nm lasersko črpano vlakno s premerom jedra 15 um, 7-odstotno molsko koncentracijo Er:ZBLAN z dvojno oblogo, da bi dosegli akustično-optični Q-modulirani izhod vlakna laser pri valovni dolžini 2,8 um pri ponavljalni frekvenci 10 kHz in laserski izhod z energijo impulza 46 uJ v 1,1 m dolgem vlaknu Er:ZBLAN s pulzom vršne moči 0,821 kW z impulzna širina 56 ns. 2021 so uporabili večmodno vlakno Er:ZBLAN s premerom jedra 35 um in širino impulza 26 ns s temensko močjo 12,7 kW in energijo impulza 330 uJ [12].
V 2021, Shen et al. dosegel prvi impulzni laserski izhod 2,8 um z uporabo elektrooptične modulacije Q. Vlakno ZBLAN s premerom jedra 33 um, dopirano s 6-odstotno koncentracijo Er, je bilo uporabljeno kot ojačitveni medij z NA 0,12, elektrooptični modulator pa je bil izbran kot kristal RTP s širino impulza 13,1 ns, energija impulza 205,7 uJ in največjo močjo 15,7 kW, kar je najvišja konična moč Er:ZBLAN moduliranega laserja z vlakni Q, o katerem so poročali.
Ultra hiter laser z vlakni, zaklenjen v srednjem infrardečem načinu
V vlaknih na osnovi silicija so vlakna, dopirana s Tm, za izhod 2um laserjev, tehnologija pa je relativno zrela, z višjimi specifikacijami, ki so bile dosežene ena za drugo, ko so tehnologije vlaken in naprav zrele.
Leta 2018 je Univerza v Jeni poročala o 1000 W povprečne moči, 256 fs ultra hitrega laserja 2 um, ki uporablja fotonsko kristalno vlakno, dopirano s Tm, z velikim območjem modusnega polja, 50/250-Tm-PM-PCF. to je najvišja metrika za podobne poskuse doslej.
Za pas valovnih dolžin nad 2 um večina trenutnega raziskovalnega dela z optičnim laserjem uporablja tehnologijo pasivnega zaklepanja načina, predvsem v obliki nasičene absorpcije in nelinearnih učinkov. Prvi uporablja materiale z optično nasičenimi absorpcijskimi lastnostmi kot načinsko zaklenjene naprave, kot je SESAM, s kovinami dopirane kristale, kot je Fe: ZnSe itd., medtem ko drugi uporablja optične nelinearne učinke in druga sredstva za ustvarjanje enakovrednih nasičenih absorberjev, kot je npr. nelinearna polarizacijska rotacija (NPR), nelinearno optično zančno zrcalo (NOLM) itd.
Leta 2020 so Guo in drugi [14] poročali, da so tanke plasti WSe2 gojili kot SA z uporabo CVD in jih prenesli na pozlačena zrcala, da so tvorili WSe2-SAM, na podlagi katerega je nastal načinsko zaklenjen impulz s širino impulza 21 ps, ponovna frekvenca 42,43 MHz in povprečna moč 360 mW je bila dosežena z uporabo 980 nm laserja, črpanega s 6-odstotno molsko koncentracijo vlaken Er:ZBLAN.
Leta 2022 so Qin et al [15] s šanghajske univerze Jiaotong pripravili supermrežo InAs/GaSb SESAM z uporabo tehnike epitaksialne rasti z molekularnim žarkom, ki lahko prilagodljivo prilagodi obseg odziva nasičenega absorberja, gostoto energije nasičenja in čas okrevanja ter druge parametre in dosegel stabilen način zaklenjenega izhoda iz laserja z vlakni 3,5 um Er:ZBLAN s širino impulza 14,8 ps, povprečno močjo 149 mW in frekvenco ponavljanja 36,56 MHz.
Leta 2019 so Qin et al [16] s šanghajske univerze Jiaotong nadalje skrajšali načinsko zaklenjeno širino impulza na 215 fs z uporabo palic Ge za upravljanje disperzije z energijo impulza 9,3 nJ in največjo močjo 43,3 kW.
Leta 2020 so Gu et al. [17] s šanghajske univerze Jiaotong je poročal o solitonskem impulzu s 131 fs zaklenjenim izhodom, 22,68 kW največje moči in 3 nJ energije impulza na podlagi tehnike NPR za 2,8 μm Er∶ZBLAN laser z vlakni.
Istega leta so Huang in drugi [18] dosegli načinsko zaklenjen izhod s širino impulza 126 fs in energijo impulza 10 nJ s črpanjem 3,3 m dolgega vlakna Er: ZBLAN pri 980 nm z uporabo tehnike NPR in Er: ojačevalnik ZBLAN in nelinearno vlakno ZBLAN sta dodatno stisnila širino impulza na 15,9 fs, s končno največjo močjo impulza 500 kW.
Leta 2022 sta Yu et al [19] pripravila impulzni izvor svetlobe s širino impulza 283 fs z uporabo 2,4 m dolgega vlakna Er:ZBLAN, dopiranega s 7-odstotno molsko koncentracijo, in dodatno stisnila širino impulza na 59 fs z uporabo nelinearnega ojačanja. , pri čemer je dosegel povprečno moč impulzov do 4,13 W, kar je največja povprečna izhodna moč optičnega laserja z zaklenjenim načinom pod sto femtosekund do danes.
Cvključevanje
Laser s srednjim infrardečim vlaknom, s kompaktnim laserskim vlaknom, manj vzdrževanja, visoko stabilnostjo, visoko kakovostjo žarka in številnimi drugimi prednostmi, fluoridnimi, sulfidnimi, halogenidnimi, votlimi vlakni in drugimi vlakni srednjega infrardečega spektra, iz napajalnih, spektralnih aplikacij naprav z optičnimi vlakni , in drugi vidiki razvoja srednjega infrardečega laserja so močno spodbudili razvoj srednjega infrardečega laserja, s srednjim infrardečim materialom in tehnologijo optičnih vlaken, ki še naprej dozoreva, bo na voljo več visokokakovostnega srednjega infrardečega laserskega vlakna izdelki, ki se bodo pojavili v nacionalni obrambi, znanstvenih raziskavah, industrijski proizvodnji, medicinski oskrbi in na drugih področjih, da bodo igrali vse večjo vlogo.
