2um-5um melleminfrarød laser har sine egne unikke applikationer: dette bånd dækker flere atmosfæriske vinduer, hvilket gør det nyttigt til LIDAR, atmosfærisk kommunikation, laserafstandsmåling, kalibrering af astronomiske spektrometre med ultrahøj opløsning og optoelektronisk detektion, osv. [1]; det mellem-infrarøde bånd indeholder de karakteristiske spektrallinjer kendt som "molekylære fingeraftryk", som kan bruges til høj hastighed, høj opløsning, høj spektral følsomhed, det høje signal-til-støj-forhold for den mellem-infrarøde spektroskopimåling [2] ; vandmolekyler i nærheden af 3um har en stærk absorptionstop, så den kan bruges i mange medicinske operationer; er placeret i den molekylære kovalente binding af absorptionsspektralbåndet, som kan bruges til påvisning af molekylært indhold og molekylær type identifikation, for at opnå den molekylære billeddannelse og så videre.
Kommercielt tilgængelige mid-infrarøde laserkilder omfatter OPO parametriske oscillerende lasere, superkontinuum spektrale lyskilder, kvantekaskadelasere og fiberlasere.
Den mellem-infrarøde fiberlaser kan i henhold til realiseringen af den mellem-infrarøde fiber opdeles i aktive og passive aspekter, hovedsageligt inklusive den midt-infrarøde laser baseret på dopet sjældne jordarter, såsom Er3 plus , Dy3 plus dopet ZBLAN fiberlaser ; mid-infrarød laser baseret på den ikke-lineære effekt, såsom Raman-laseren, laserens superkontinuumspektrum; baseret på den hulkerne optiske fiber med speciel bølgelederstruktur, med de forskellige gasser for at opnå forskellige bølgelængder. Forskellige bølgelængder af den mellem-infrarøde laser. I de senere år, med den kontinuerlige udvikling og modenhed af fiberlaserteknologi, er forskningen omkring den melleminfrarøde laserteknologi hot, relaterede eksperimenter og produktrapporter er uendelige, og her diskuterer vi kun den enkeltbølgelængde melleminfrarøde fiberlaserbaserede på at få aktive fibre.
Er: ZBLAN fiberoptisk
Er et sjældent jordelement har en rig energiniveaustruktur, exciteres partiklerne til højere energiniveauer ved grundtilstandsabsorption ved pumpebølgelængder på 655 nm, 790 nm og 980 nm, og 1,55 um emission kan produceres ved strålingsoverførsel fra 4I13/2 energiniveau til 4I15/2 energiniveau og 2,8 um emission ved overførsel fra 4I11/2 energiniveau til 4I13/2 energiniveau. Partikelhoppet fra 4F9/2 energiniveau til 4I9/2 energiniveau kan producere 3,5um emission. I øjeblikket er det en relativt almindelig metode at opnå 2,8um lasering fra højkoncentrationsdoteret Er: ZBLAN-fibre [4]
Fluoridfiber bruges til 2-3um lysoutput, sulfidfiber bruges til 3-6.5um lysoutput, og længere bølgelængder end 6.5um kan udsendes med halogenidfiber. Fluorfibre er hovedsageligt aluminiumfluorid (AlF3), ZBLAN (53 procent ZrF4-20 procent BaF2-4 procent LaF3-3 procent AlF3-20 procent NaF) eller indiumfluorid (InF3) osv. som matrixmaterialet af fluorid flerkomponent glasfiber. En af ZBLAN er i øjeblikket mere almindeligt anvendt optisk fiber, sjældne jordarters doping kan opnås, for dens fusionssplejsningsproces med siliciumbaseret optisk fiber er relativt moden, kommercielle optiske fiberfusionssplejsningsmaskiner kan bruges, InF og AlF fiber kan være bruges som en fiberoptisk enhed (såsom strålekombinerer) og produktion af fiberoptiske endehætter. Men let at fugte er den største ulempe ved fluorfiber.
2,8um mid-infrarød kontinuerlig fiberlaser
I 1988 rapporterede Brierley den første 2,7um Er3 plus dopet fiberlaser[5].
I 1999 opnåede udgangseffekten af Er:ZBLAN fiberlaser et gennembrud i watt-skalaen, og Jackson et al[6] opnåede en lasereffekt på 1,7 W ved hjælp af Er3 plus / Pr3 plus co-doteret ZBLAN fiber.
I det 21. århundrede, med udviklingen af fiberforberedelsesteknologi og fiberlaserteknologi, blev kraften af 3um-bånd lasere yderligere øget. Blandt dem har Kyoto University i Japan, University of Adelaide i Australien, Laval University i Canada og Shenzhen University i Kina i laboratoriet rapporteret meget fremragende eksperimentelle fremskridt.
I 2015 rapporterede Fortin et al [7] fra Laval University, Canada, en Er3 plus-doteret fluoridfiberlaser med en udgangseffekt på 30,5 W og en udgangsbølgelængde på 2938 nm. Systemet brugte et fiber-Bragg-gitter baseret på intra-core ætsning, dvs. høj- og lavreflektionsgitre blev ætset i henholdsvis ZBLAN- og Er:ZBLAN-fibrene for at danne et 10 m langt resonanshulrum, og fiberenden blev forbundet med en AlF3-endehætte for at reducere udsivningen og forbedre laserens stabilitet med en total lasereffektivitet på 16 procent ved 980 nm pumpning.
I 2018 afsluttede Aydin et al [8], Laval University, Canada, gitterætsning inden for en hel sektion af Er:ZBLAN-fiber og opnåede et laseroutput på 41,6 W ved 2,8 um ved hjælp af en kontinuerlig fiberlaser i en dobbeltpumpende tilstand . Dette er den højeste kendte rapporterede udgangseffekt for en Er:ZBLAN melleminfrarød fiberlaser.
I 2021 rapporterede Chunyu Guo et al.[10] fra Shenzhen University det første 2,8um mid-infrarøde laseroutput med en helfiberstruktur med en effekt på 20W i Kina. Den anvendte Er3 plus :ZrF4-doterede fiber har en diameter på 15um, en numerisk åbning NA på ca. 0,12, en total længde på 6,5m, en absorptionskoefficient på 2-3dB/m@976nm og et højreflekterende gitter (99 procent HR-FBG) og et lavreflekterende gitter (10 procent OC-FBG) direkte indskrevet på en forstærkningsfiber med en centerbølgelængde på 2825 nm, som danner et resonanshulrum med Er-fiberen. Som vist i fig. ▼ Fusionsbindingsprocessen for de siliciumbaserede og ZBLAN-fibre, såvel som fusionsbindingsprocessen for endekapperne og de passive fibre, blev uafhængigt udviklet af reporterens team, som fremstillede de optiske filtre til beklædning og AlF3 fiber endestykker. Den optisk-til-optiske konverteringseffektivitet er 14,5 procent, når pumpeeffekten er 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]
Efter mange års indsats, fiber laser arbejdere, stærkt optimeret behandlingen af mid-infrarød fiber, den nuværende brug af kommercielt specielt fiberbehandlingsudstyr, kan du få lavere fusionstab, bruges i den mid-infrarøde tilstand feltmatcher, combiner/splitter , output-endedækslet og en række andre enheder, for at lancere hele fiberstrukturen på produktniveau af den midt-infrarøde lyskilde.
Mid-infrarød Q-pulseret fiberlaser
I 2020 brugte Sojka et al [11] en 30 W 975 nm laserpumpet 15 um kernediameter, 7 procent molær koncentration Er:ZBLAN dobbeltbeklædningsfiber for at opnå akusto-optisk Q-moduleret output af en fiber laser ved en bølgelængde på 2,8 um ved en gentagelsesfrekvens på 10 kHz, og en laserudgang med en pulsenergi på 46 uJ i en 1,1 m lang Er:ZBLAN-fiber med en puls af spidseffekt på 0,821 kW med en pulsbredde på 56 ns. 2021 brugte de en Er:ZBLAN multimode fiber med en kernediameter på 35um og en pulsbredde på 26 ns med en spidseffekt på 12,7 kW og en pulsenergi på 330 uJ [12].
I 2021, Shen et al. opnåede det første pulserede laseroutput på 2,8um ved hjælp af elektro-optisk Q-modulation. En ZBLAN-fiber med en kernediameter på 33um dopet med Er-koncentration på 6 procent blev brugt som forstærkningsmedium med NA 0,12, og den elektro-optiske modulator blev valgt til at være en RTP-krystal med en pulsbredde på 13,1ns pulsenergi på 205,7 uJ og en spidseffekt på 15,7 kW, hvilket er den højeste spidseffekt Er:ZBLAN-moduleret Q-fiberlaser, der vides at være blevet rapporteret.
Mid-infrarød mode-låst ultrahurtig fiberlaser
Der er Tm-doterede fibre i siliciumbaserede fibre til output af 2um lasere, og teknologien har været relativt moden, hvor højere specifikationer opnås én efter én, efterhånden som fiber- og enhedsteknologier modnes.
I 2018 rapporterede Jena University en gennemsnitlig effekt på 1000 W, 256 fs af 2um ultrahurtig laser ved hjælp af en Tm-doteret fotonisk krystalfiber med et stort tilstandsfeltområde, 50/250-Tm-PM-PCF. dette er de hidtil højeste målinger for lignende eksperimenter.
For bølgelængdebåndet over 2um anvender det meste af det nuværende fiberlaserforskningsarbejde passiv tilstandslåsningsteknologi, hovedsageligt i form af mættelig absorption såvel som ikke-lineære effekter. Førstnævnte anvender materialer med optisk mættende absorptionsegenskaber som mode-locked devices, såsom SESAM, metal-dopede krystaller såsom Fe: ZnSe, etc., mens sidstnævnte anvender optiske ikke-lineære effekter og andre midler til at generere tilsvarende mættede absorbere, som f.eks. ikke-lineær polarisationsrotation (NPR), ikke-lineær optisk sløjfespejl (NOLM) osv.
I 2020 rapporterede Guo et al [14], at WSe2 tynde film blev dyrket som SA ved hjælp af CVD og overført til guldbelagte spejle for at danne WSe2-SAM, baseret på hvilken en modelåst puls med en pulsbredde på 21 ps, en re-frekvens på 42,43 MHz og en gennemsnitlig effekt på 360 mW blev opnået ved hjælp af en 980 nm laser pumpet med en 6 procent molær koncentration af Er:ZBLAN fiber.
I 2022 forberedte Qin et al [15] fra Shanghai Jiaotong University InAs/GaSb supergitter SESAM ved hjælp af molekylær stråle epitaksial vækstteknik, som fleksibelt kan justere responsområdet for den mættede absorber, mætningsenergitæthed og genopretningstid og andre parametre, og opnåede et stabilt mode-låst output fra en 3,5um Er:ZBLAN fiberlaser med en pulsbredde på 14,8 ps, en gennemsnitlig effekt på 149 mW og en gentagelsesfrekvens på 36,56 MHz.
I 2019 forkortede Qin et al [16] fra Shanghai Jiaotong University den tilstandslåste pulsbredde yderligere til 215 fs ved hjælp af Ge-stave til spredningsstyring med en pulsenergi på 9,3 nJ og en spidseffekt på 43,3 kW.
I 2020, Gu et al. [17] fra Shanghai Jiaotong University rapporterede en soliton-puls med 131 fs mode-locked output, 22,68 kW spidseffekt og 3 nJ pulsenergi baseret på NPR-teknikken for en 2,8 μm Er∶ZBLAN fiberlaser.
Samme år opnåede Huang et al [18] et modelåst output med en pulsbredde på 126 fs og en pulsenergi på 10 nJ ved at pumpe en 3,3 m lang Er: ZBLAN-fiber ved 980 nm ved hjælp af NPR-teknikken, og Er: ZBLAN-forstærkeren og den ikke-lineære ZBLAN-fiber komprimerede pulsbredden yderligere til 15,9 fs med en endelig spidspulseffekt på 500 kW.
I 2022 forberedte Yu et al [19] en pulseret frølyskilde med en pulsbredde på 283 fs ved hjælp af en 2,4 m lang Er:ZBLAN-fiber doteret med 7 procent molær koncentration og komprimerede yderligere pulsbredden til 59 fs ved hjælp af ikke-lineær forstærkning , der opnår en pulseret gennemsnitseffekt på op til 4,13 W, hvilket er den højeste gennemsnitlige udgangseffekt for en tilstandslåst fiberlaser på under hundrede femtosekunder til dato.
Conclusion
Mid-infrarød fiberlaser, med fiberlaser kompakt, mindre vedligeholdelse, høj stabilitet, høj strålekvalitet og mange andre fordele, fluorid, sulfid, halogenid, hulfiber og andre melleminfrarøde fibre, fra kraft, spektral, fiberoptisk enhedsapplikationer , og andre aspekter af udviklingen af mid-infrarød laser har i høj grad fremmet udviklingen af den mid-infrarøde laser, med de mid-infrarøde materialer og fiberoptisk teknologi fortsætter med at modnes, vil der være flere højkvalitets mid-infrarød fiberlaser produkter til at komme ud i det nationale forsvar, videnskabelig forskning, industriel fremstilling, lægebehandling og andre områder til at spille en større og større rolle.
