2um-5um srednji infracrveni laser ima svoje jedinstvene primjene: ovaj pojas pokriva nekoliko atmosferskih prozora, što ga čini korisnim za LIDAR, atmosferske komunikacije, lasersko određivanje udaljenosti, kalibraciju astronomskih spektrometara ultravisoke rezolucije i optoelektroničku detekciju, itd. [1]; srednji infracrveni pojas sadrži karakteristične spektralne linije poznate kao "molekularni otisci", koji se mogu koristiti za mjerenje velike brzine, visoke razlučivosti, visoke spektralne osjetljivosti, visokog omjera signala i šuma spektroskopije srednjeg infracrvenog spektra [2] ; molekule vode u blizini 3 um imaju jak apsorpcijski vrh tako da se mogu koristiti u mnogim medicinskim operacijama; nalazi se u molekularnoj kovalentnoj vezi apsorpcijskog spektralnog pojasa, koji se može koristiti za detekciju molekularnog sadržaja i molekularne vrste identifikacije, za postizanje molekularne slike i tako dalje.
Komercijalno dostupni srednje infracrveni laserski izvori uključuju OPO parametarske oscilirajuće lasere, superkontinualne spektralne izvore svjetlosti, kvantne kaskadne lasere i lasere s vlaknima.
Srednje infracrveni vlaknasti laser, prema realizaciji srednjeg infracrvenog vlakna može se podijeliti na aktivne i pasivne aspekte, uglavnom uključujući srednji infracrveni laser temeljen na dopiranoj rijetkoj zemlji, kao što su Er3 plus, Dy3 plus dopirani ZBLAN vlaknasti laser ; srednji infracrveni laser temeljen na nelinearnom učinku, kao što je Ramanov laser, super-kontinualni spektar lasera; temelji se na optičkom vlaknu šuplje jezgre s posebnom strukturom valovoda, s različitim plinovima za postizanje različitih valnih duljina. Različite valne duljine srednjeg infracrvenog lasera. Posljednjih godina, s kontinuiranim razvojem i zrelošću tehnologije fiber lasera, istraživanje oko tehnologije srednje infracrvenog lasera je vruće, povezani eksperimenti i izvješća o proizvodima su beskrajni, a ovdje raspravljamo samo o jednovalnoj duljini baziranoj na laseru srednje infracrvenog vlakna. na dobitak aktivnih vlakana.
Er: ZBLAN optičko vlakno
Budući da element rijetke zemlje ima bogatu strukturu energetske razine, čestice se pobuđuju na više energetske razine apsorpcijom osnovnog stanja na valnim duljinama pumpe od 655 nm, 790 nm i 980 nm, a emisija od 1,55 um može se proizvesti radijacijskim prijenosom iz Energetska razina 4I13/2 na energetsku razinu 4I15/2 i emisija od 2,8 um prijenosom s energetske razine 4I11/2 na energetsku razinu 4I13/2. Skok čestice s energetske razine 4F9/2 na energetsku razinu 4I9/2 može proizvesti emisiju od 3,5 um. Trenutačno je to relativno uobičajena metoda za dobivanje lasera od 2,8 um iz visokokoncentriranih dopiranih Er: ZBLAN vlakana [4]
Fluoridna vlakna koriste se za 2-3um izlaz svjetla, sulfidna vlakna se koriste za 3-6.5um izlaz svjetla, a duže valne duljine od 6,5um mogu se emitirati s halidnim vlaknima. Fluoridna vlakna su uglavnom aluminijev fluorid (AlF3), ZBLAN (53 posto ZrF4-20 posto BaF2-4 posto LaF3-3 posto AlF3-20 posto NaF) ili indijev fluorid (InF3) , itd. kao matrični materijal fluoridnih višekomponentnih staklenih vlakana. Jedan od ZBLAN-a je trenutno češće korišteno optičko vlakno, može se postići dopiranje rijetkih zemalja, jer je njegov proces spajanja fuzije s optičkim vlaknima na bazi silicija relativno zreo, mogu se koristiti komercijalni strojevi za spajanje optičkih vlakana, InF i AlF vlakna mogu se koristiti koristi se kao uređaj za optička vlakna (kao što je kombinirač zraka) i proizvodnja završnih kapica za optička vlakna. No lako se vlaže glavni je nedostatak fluoridnih vlakana.
2,8 um srednji infracrveni laser s kontinuiranim vlaknima
Godine 1988. Brierley je izvijestio o prvom 2,7 um Er3 plus laseru s dopiranim vlaknima[5].
Godine 1999. izlazna snaga lasera s vlaknima Er:ZBLAN postigla je proboj u vatnoj skali, a Jackson i suradnici [6] postigli su izlaznu snagu lasera od 1,7 W koristeći Er3 plus / Pr3 plus ko-dopirana ZBLAN vlakna.
U 21. stoljeću, s razvojem tehnologije pripreme vlakana i tehnologije optičkih lasera, snaga 3um-pojasnih lasera dodatno je povećana. Među njima, Sveučilište Kyoto u Japanu, Sveučilište Adelaide u Australiji, Sveučilište Laval u Kanadi i Sveučilište Shenzhen u Kini u laboratoriju su izvijestili o vrlo izvrsnom eksperimentalnom napretku.
Godine 2015. Fortin i suradnici [7] sa Sveučilišta Laval, Kanada, izvijestili su o Er3 plus laseru s dopiranim fluoridnim vlaknima s izlaznom snagom od 30,5 W i izlaznom valnom duljinom od 2938 nm. Sustav je koristio vlaknastu Braggovu rešetku temeljenu na jetkanju unutar jezgre, tj. rešetke visoke i niske refleksije bile su urezane u ZBLAN, odnosno Er:ZBLAN vlakna, kako bi se formirala rezonantna šupljina duga 10 m, a repni kraj vlakna bio je povezan s AlF3 završnim poklopcem za smanjenje taljenja i poboljšanje stabilnosti lasera, s ukupnom učinkovitošću lasera od 16 posto pri pumpanju od 980 nm.
U 2018., Aydin i suradnici [8], Laval University, Kanada, dovršili su jetkanje rešetke unutar cijele sekcije Er:ZBLAN vlakna i postigli laserski izlaz od 41,6 W na 2,8 um korištenjem lasera s kontinuiranim vlaknima u načinu dvostrukog pumpanja . Ovo je najveća poznata izlazna snaga Er:ZBLAN srednje infracrvenog lasera s vlaknima.
Godine 2021., Chunyu Guo i suradnici[10] sa Sveučilišta Shenzhen izvijestili su o prvom izlazu srednjeg infracrvenog lasera od 2,8 um sa strukturom od svih vlakana snage 20 W u Kini. Korišteno vlakno dopirano Er3 plus :ZrF4 ima promjer od 15 um, numeričku aperturu NA od oko 0,12, ukupnu duljinu od 6,5 m, koeficijent apsorpcije od 2-3dB/m@976nm i rešetku visoke refleksije (99 posto HR-FBG) i rešetka niske refleksije (10 posto OC-FBG) izravno upisana na vlakno za pojačanje, sa središnjom valnom duljinom od 2825 nm, koja tvori rezonantnu šupljinu s vlaknom Er. Kao što je prikazano na slici ▼, reporterov tim je neovisno razvio proces spajanja vlakana na bazi silicija i ZBLAN vlakana fuzijom, kao i postupak spajanja završnih kapa i pasivnih vlakana, koji je izradio optičke filtre za obloge i Završne kapice od AlF3 vlakana. Učinkovitost optičko-optičke pretvorbe je 14,5 posto kada je snaga pumpe 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]
Nakon godina napora, radnici s fiber laserom, uvelike su optimizirali obradu srednjeg infracrvenog vlakna, trenutna upotreba komercijalne posebne opreme za obradu vlakana, možete dobiti niži gubitak fuzije, koristi se u srednjem infracrvenom modu za spajanje polja, kombinator/razdjelnik , izlaznu završnu kapu i niz drugih uređaja, kako bi se pokrenula struktura od svih vlakana na razini proizvoda srednjeg infracrvenog izvora svjetlosti.
Srednji infracrveni Q-pulsni fiber laser
U 2020, Sojka i suradnici [11] koristili su 30 W 975 nm laserski pumpan promjer jezgre 15 um, 7 posto molarne koncentracije Er:ZBLAN vlakno s dvostrukim omotačem za postizanje akusto-optičkog Q-moduliranog izlaza vlakna laser na valnoj duljini od 2,8 um pri frekvenciji ponavljanja od 10 kHz, i laserski izlaz s energijom impulsa od 46 uJ u 1,1 m dugom Er:ZBLAN vlaknu s pulsom vršne snage od 0,821 kW s širina impulsa od 56 ns. 2021. koristili su višemodno vlakno Er:ZBLAN s promjerom jezgre od 35 um i širinom impulsa od 26 ns s vršnom snagom od 12,7 kW i energijom impulsa od 330 uJ [12].
U 2021, Shen et al. postigao prvi pulsni laserski izlaz od 2,8 um koristeći elektrooptičku Q modulaciju. ZBLAN vlakno s promjerom jezgre od 33 um dopirano koncentracijom Er od 6 posto korišteno je kao medij za pojačanje s NA 0,12, a elektrooptički modulator odabran je kao RTP kristal s širinom impulsa od 13,1 ns energija pulsa od 205,7 uJ i vršnom snagom od 15,7 kW, što je najveća vršna snaga Er:ZBLAN moduliranog Q vlaknastog lasera za koju se zna da je zabilježena.
Srednji infracrveni ultrabrzi laser s vlaknima zaključan u načinu rada
Postoje vlakna dopirana Tm u vlaknima na bazi silicija za izlaz lasera od 2 um, a tehnologija je relativno zrela, s višim specifikacijama koje se postižu jedna po jedna kako sazrijevaju tehnologije vlakana i uređaja.
Godine 2018. Sveučilište Jena izvijestilo je o prosječnoj snazi od 1000 W, 256 fs ultrabrzog lasera od 2 um koji koristi Tm-dopirano fotonsko kristalno vlakno s velikim područjem modnog polja, 50/250-Tm-PM-PCF. ovo je najveća metrika za slične eksperimente do sada.
Za pojas valne duljine iznad 2 um, većina trenutnog istraživačkog rada na optičkom laseru usvaja tehnologiju pasivnog zaključavanja moda, uglavnom u obliku apsorpcije koja se može zasititi, kao i nelinearnih učinaka. Prvi koristi materijale s optički zasićenim apsorpcijskim svojstvima kao modalno zaključane uređaje, kao što je SESAM, kristale dopirane metalima kao što je Fe: ZnSe, itd., dok drugi koristi optičke nelinearne efekte i druga sredstva za generiranje ekvivalentnih zasićenih apsorbera, kao što su nelinearna polarizacijska rotacija (NPR), nelinearno optičko petljasto zrcalo (NOLM) itd.
Godine 2020. Guo i suradnici [14] izvijestili su da su tanki filmovi WSe2 uzgojeni kao SA pomoću CVD-a i prebačeni u pozlaćena zrcala kako bi se formirao WSe2-SAM, na temelju čega se stvara impuls zaključan po modu s širinom impulsa od 21 ps, ponovna frekvencija od 42,43 MHz i prosječna snaga od 360 mW postignuta je korištenjem 980 nm lasera pumpanog sa 6 posto molarne koncentracije Er:ZBLAN vlakna.
Godine 2022. Qin i suradnici [15] sa šangajskog sveučilišta Jiaotong pripremili su InAs/GaSb superrešetku SESAM koristeći tehniku epitaksijskog rasta molekularnog snopa, koja može fleksibilno prilagoditi raspon odziva apsorbera koji se može zasićiti, gustoću energije zasićenja, vrijeme oporavka i druge parametre, i postigao stabilan izlaz zaključanog načina iz 3,5 um Er:ZBLAN vlaknastog lasera sa širinom impulsa od 14,8 ps, prosječnom snagom od 149 mW i frekvencijom ponavljanja od 36,56 MHz.
Godine 2019., Qin i suradnici [16] sa šangajskog sveučilišta Jiaotong dodatno su skratili modus zaključanu širinu impulsa na 215 fs koristeći Ge šipke za upravljanje disperzijom, s energijom pulsa od 9,3 nJ i vršnom snagom od 43,3 kW.
Godine 2020. Gu i sur. [17] sa Sveučilišta Jiaotong u Šangaju izvijestio je o solitonskom pulsu s izlazom zaključanim modom od 131 fs, vršnom snagom od 22,68 kW i energijom pulsa od 3 nJ na temelju NPR tehnike za laser s vlaknima Er∶ZBLAN od 2,8 μm.
Iste godine, Huang i suradnici [18] postigli su mod zaključani izlaz sa širinom impulsa od 126 fs i energijom impulsa od 10 nJ pumpajući 3,3 m dugo Er: ZBLAN vlakno na 980 nm koristeći NPR tehniku, i Er: ZBLAN pojačalo i ZBLAN nelinearno vlakno dodatno su komprimirali širinu impulsa na 15,9 fs, s konačnom vršnom snagom impulsa od 500 kW.
Godine 2022., Yu i suradnici [19] pripremili su izvor pulsirajućeg sjemena svjetla s širinom pulsa od 283 fs koristeći 2,4 m dugačko Er:ZBLAN vlakno dopirano sa 7 posto molarne koncentracije, i dalje komprimirali širinu pulsa na 59 fs koristeći nelinearno pojačanje , postigavši pulsiranu prosječnu snagu do 4,13 W, što je najveća prosječna izlazna snaga vlaknastog lasera s zaključanim modom ispod stotinu femtosekundi do danas.
Cisključenje
Laser sa srednjim infracrvenim vlaknima, s kompaktnim optičkim laserom, manjim održavanjem, visokom stabilnošću, visokom kvalitetom snopa i mnogim drugim prednostima, fluorid, sulfid, halid, šuplja vlakna i druga vlakna srednjeg infracrvenog spektra, iz primjene uređaja za napajanje, spektralnih, optičkih vlakana , i drugi aspekti razvoja srednjeg infracrvenog lasera uvelike su promicali razvoj srednjeg infracrvenog lasera, s srednjim infracrvenim materijalima i optičkom tehnologijom koja nastavlja sazrijevati, bit će više kvalitetnih srednjih infracrvenih optičkih lasera proizvodi koji će se pojaviti u nacionalnoj obrani, znanstvenim istraživanjima, industrijskoj proizvodnji, medicinskoj skrbi i drugim poljima koji će igrati sve veću ulogu.
