Srednji infracrveni laser od 2um-5um ima svoje jedinstvene aplikacije: ovaj opseg pokriva nekoliko atmosferskih prozora, što ga čini korisnim za LIDAR, atmosferske komunikacije, lasersko dometanje, kalibraciju astronomskih spektrometara ultra visoke rezolucije i optoelektronsku detekciju, itd. [1]; srednji infracrveni pojas sadrži karakteristične spektralne linije poznate kao "molekularni otisci prstiju", koji se mogu koristiti za veliku brzinu, visoku rezoluciju, visoku spektralnu osjetljivost, visok omjer signala i šuma mjerenja srednje infracrvene spektroskopije [2] ; molekule vode u blizini 3um ima jak apsorpcijski vrh tako da se može koristiti u mnogim medicinskim operacijama; nalazi se u molekularnoj kovalentnoj vezi apsorpcionog spektralnog pojasa, koji se može koristiti za detekciju molekularnog sadržaja i molekularnog tipa identifikacije, za postizanje molekularnog snimanja i tako dalje.
Komercijalno dostupni laserski izvori srednjeg infracrvenog spektra uključuju OPO parametarske oscilirajuće lasere, superkontinuumske spektralne izvore svjetlosti, kvantne kaskadne lasere i lasere s vlaknima.
Laser sa srednjim infracrvenim vlaknima, prema realizaciji srednjeg infracrvenog vlakna može se podijeliti na aktivne i pasivne aspekte, uglavnom uključujući srednji infracrveni laser na bazi dopiranih rijetkih zemalja, kao što su Er3 plus, Dy3 plus dopirani ZBLAN laser sa vlaknima ; srednji infracrveni laser zasnovan na nelinearnom efektu, kao što je Raman laser, super-kontinualni spektar lasera; zasnovano na optičkom vlaknu sa šupljim jezgrom sa posebnom strukturom talasovoda, sa različitim gasovima za postizanje različitih talasnih dužina. Različite talasne dužine srednjeg infracrvenog lasera. Posljednjih godina, s kontinuiranim razvojem i zrelošću tehnologije fiber lasera, istraživanja oko tehnologije srednjeg infracrvenog lasera su vruća, povezani eksperimenti i izvještaji o proizvodima su beskonačni, a ovdje govorimo samo o jednovalnoj dužini srednje infracrvenog laserskog lasera zasnovanom na na dobivanju aktivnih vlakana.
Er: ZBLAN optičko vlakno
Budući da element rijetke zemlje ima bogatu strukturu energetskog nivoa, čestice se pobuđuju na više energetske nivoe apsorpcijom osnovnog stanja na talasnim dužinama pumpe od 655 nm, 790 nm i 980 nm, a emisija od 1,55 um može se proizvesti prijenosom zračenja iz Energetski nivo 4I13/2 na energetski nivo 4I15/2, i emisija od 2,8 um prelaskom sa energetskog nivoa 4I11/2 na energetski nivo 4I13/2. Skok čestica sa energetskog nivoa 4F9/2 na energetski nivo 4I9/2 može proizvesti emisiju od 3,5um. Trenutno je relativno uobičajena metoda za dobivanje 2,8um lasera iz dopiranih Er:ZBLAN vlakana visoke koncentracije [4]
Fluoridna vlakna se koriste za 2-3um svjetlosni izlaz, sulfidna vlakna se koriste za 3-6.5 um svjetlosnog izlaza, a duže talasne dužine od 6,5 um mogu se proizvesti pomoću halogenih vlakana. Fluoridna vlakna su uglavnom aluminijum fluorid (AlF3), ZBLAN (53 posto ZrF4-20 posto BaF2-4 posto LaF3-3 posto AlF3-20 posto NaF) ili indijum fluorid (InF3) itd. kao matrični materijal fluoridnih višekomponentnih staklenih vlakana. Jedan od ZBLAN-a trenutno se češće koristi optičko vlakno, može se postići dopiranje rijetkih zemalja, jer je njegov proces spajanja fuzijom sa optičkim vlaknom na bazi silicijuma relativno zreo, mogu se koristiti komercijalne mašine za spajanje optičkih vlakana, mogu se koristiti InF i AlF vlakna koristi se kao optički uređaj (kao što je kombinator snopa) i za proizvodnju završnih kapa od optičkih vlakana. Ali lako vlaženje glavni je nedostatak fluoridnih vlakana.
2.8um srednji infracrveni kontinuirani fiber laser
Godine 1988, Brierley je prijavio prvi 2.7um Er3 plus laser sa dopiranim vlaknima[5].
Godine 1999., izlazna snaga Er:ZBLAN lasera s vlaknima postigla je proboj u vatnoj skali, a Jackson et al[6] su postigli laserski izlaz od 1,7 W koristeći Er3 plus / Pr3 plus ko-dopirano ZBLAN vlakno.
U 21. veku, razvojem tehnologije pripreme vlakana i tehnologije fiber lasera, snaga lasera sa 3um opsegom je dodatno povećana. Među njima, Univerzitet Kyoto u Japanu, Univerzitet Adelaide u Australiji, Univerzitet Laval u Kanadi i Univerzitet Shenzhen u Kini u laboratoriji, prijavili su veoma odličan eksperimentalni napredak.
Godine 2015., Fortin et al [7] sa Univerziteta Laval, Kanada, objavili su Er3 plus dopirani laser sa fluoridnim vlaknima sa izlaznom snagom od 30,5 W i izlaznom talasnom dužinom od 2938 nm. Sistem je koristio vlaknastu Braggovu rešetku zasnovanu na jetkanju unutar jezgra, tj. rešetke visoke i niske refleksije su urezane u ZBLAN i Er:ZBLAN vlakna, respektivno, kako bi se formirala 10 m duga rezonantna šupljina, a zadnji kraj vlakna je spojen sa završnim poklopcem od AlF3 za smanjenje delikvescencije i poboljšanje stabilnosti lasera, sa ukupnom laserskom efikasnošću od 16 procenata pri pumpanju od 980 nm.
U 2018. godini, Aydin et al [8], Univerzitet Laval, Kanada, završili su jetkanje u cijelom dijelu Er:ZBLAN vlakna i postigli laserski izlaz od 41,6 W na 2,8 um koristeći kontinuirani laser sa vlaknima u načinu rada sa dvostrukim pumpanjem. . Ovo je najveća poznata izlazna snaga Er:ZBLAN lasera sa srednjim infracrvenim vlaknima.
U 2021, Chunyu Guo et al[10] sa Univerziteta Shenzhen objavili su prvi 2,8um srednji infracrveni laserski izlaz sa strukturom od svih vlakana snage 20W u Kini. Korišćeno vlakno dopirano Er3 plus :ZrF4 ima prečnik od 15um, numerički otvor NA od oko 0,12, ukupnu dužinu od 6,5m, koeficijent apsorpcije od 2-3dB/m@976nm i visokoreflektujuću rešetku (99 posto HR-FBG) i nisko reflektirajuća rešetka (10 posto OC-FBG) direktno upisana na pojačalo vlakno, sa centralnom talasnom dužinom od 2825 nm, koja formira rezonantnu šupljinu sa Er vlaknom. Kao što je prikazano na slici ▼ Proces spajanja silikonskih i ZBLAN vlakana, kao i proces spajanja krajnjih kapica i pasivnih vlakana, nezavisno je razvio tim reportera, koji je proizveo optičke filtere za oblaganje i Završne kapice od AlF3 vlakana. Efikasnost optičke konverzije u optičku 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 na laserskim vlaknima, uvelike su optimizirali obradu srednjih infracrvenih vlakana, trenutna upotreba komercijalne specijalne opreme za obradu vlakana, možete dobiti manji gubitak fuzije, koristi se u mid-infracrvenom modu za usklađivanje polja, kombinator/splitter , izlazni završni poklopac i niz drugih uređaja, kako bi se pokrenula struktura od svih vlakana na nivou proizvoda srednjeg infracrvenog izvora svjetlosti.
Srednji infracrveni Q-pulzivni fiber laser
U 2020, Sojka et al [11] koristili su 30 W 975 nm laserski pumpani prečnik jezgre od 15 um, 7 posto molarne koncentracije Er:ZBLAN vlakna sa dvostrukom oblogom kako bi postigli akusto-optički Q-moduliran izlaz vlakna laser na talasnoj dužini od 2,8 um na frekvenciji ponavljanja od 10 kHz, i laserski izlaz sa impulsnom energijom od 46 uJ u Er:ZBLAN vlaknu dužine 1,1 m sa impulsom vršne snage od 0,821 kW sa širina impulsa od 56 ns. 2021. godine, koristili su Er:ZBLAN višemodno vlakno s prečnikom jezgre od 35um i širinom impulsa od 26 ns sa vršnom snagom od 12,7 kW i energijom impulsa od 330 uJ [12].
U 2021, Shen et al. postigao prvi impulsni laserski izlaz od 2.8um koristeći elektro-optičku Q modulaciju. ZBLAN vlakno prečnika jezgre od 33um dopirano sa Er koncentracijom od 6 procenata korišćeno je kao medij za pojačanje sa NA 0,12, a elektrooptički modulator je odabran da bude RTP kristal sa širinom impulsa od 13,1ns impulsne energije od 205,7 uJ i vršnom snagom od 15,7 kW, što je najveća vršna snaga Er:ZBLAN modulisanog Q fiber lasera za koju se zna da je zabilježena.
Srednji infracrveni laser sa ultrabrzim vlaknima sa zaključavanjem moda
Postoje Tm-dopirana vlakna u vlaknima na bazi silicijuma za izlaz lasera od 2um, a tehnologija je relativno zrela, sa višim specifikacijama koje se postižu jedna po jedna kako tehnologije vlakana i uređaja sazrevaju.
Godine 2018, Univerzitet Jena je izvijestio o prosječnoj snazi od 1000 W, 256 fs ultrabrzog lasera od 2um koji koristi fotonsko kristalno vlakno dopirano Tm sa velikom površinom polja moda, 50/250-Tm-PM-PCF. ovo je najviša metrika za slične eksperimente do sada.
Za opseg talasne dužine iznad 2um, većina trenutnog istraživačkog rada na laserskim vlaknima usvaja pasivnu tehnologiju zaključavanja moda, uglavnom u obliku zasićene apsorpcije kao i nelinearnih efekata. Prvi koristi materijale s optički zasićenim apsorpcijskim svojstvima kao uređaje s zaključavanjem moda, kao što je SESAM, kristale dopirane metalom kao što je Fe: ZnSe, itd., dok drugi koristi optičke nelinearne efekte i druga sredstva za generiranje ekvivalentnih apsorbera zasićenih, kao što su nelinearna polarizaciona rotacija (NPR), nelinearno optičko ogledalo (NOLM) itd.
Godine 2020., Guo i saradnici [14] su izvijestili da su WSe2 tanki filmovi uzgajani kao SA korištenjem CVD-a i prebačeni u pozlaćena ogledala kako bi se formirao WSe2-SAM, na osnovu kojeg je moduliran impuls sa pulsnom širinom od 21 ps, re-frekvencija od 42,43 MHz i prosječna snaga od 360 mW postignuta je korištenjem lasera od 980 nm pumpanog sa 6 posto molarne koncentracije Er:ZBLAN vlakna.
Godine 2022, Qin i suradnici [15] sa Šangajskog univerziteta Jiaotong pripremili su InAs/GaSb superrešetku SESAM koristeći tehniku epitaksijalnog rasta molekularnog snopa, koja može fleksibilno prilagoditi raspon odziva apsorbera koji se može zasićeni, gustoću energije zasićenja, vrijeme oporavka i druge parametre, i postigao stabilan izlaz sa zaključavanjem moda od 3,5um Er:ZBLAN lasera sa vlaknima sa širinom impulsa od 14,8 ps, prosječnom snagom od 149 mW i frekvencijom ponavljanja od 36,56 MHz.
U 2019., Qin i ostali [16] sa Šangajskog univerziteta Jiaotong dodatno su skratili širinu impulsa zaključane modom na 215 fs koristeći Ge štapove za upravljanje disperzijom, s energijom impulsa od 9,3 nJ i vršnom snagom od 43,3 kW.
Godine 2020. Gu et al. [17] sa Šangajskog univerziteta Jiaotong izvestio je o solitonskom impulsu sa 131 fs modu zaključanog izlaza, 22,68 kW vršne snage i 3 nJ impulsne energije na osnovu NPR tehnike za 2,8 μm Er∶ZBLAN laser sa vlaknima.
Iste godine, Huang i suradnici [18] postigli su izlaz sa zaključavanjem moda sa širinom impulsa od 126 fs i energijom impulsa od 10 nJ pumpanjem Er:ZBLAN vlakna dužine 3,3 m na 980 nm koristeći NPR tehniku, i Er: ZBLAN pojačalo i ZBLAN nelinearno vlakno dodatno su komprimirali širinu impulsa na 15,9 fs, sa konačnom maksimalnom snagom impulsa od 500 kW.
Godine 2022., Yu i ostali [19] su pripremili impulsni izvor svjetlosti sa širinom impulsa od 283 fs koristeći Er:ZBLAN vlakno dužine 2,4 m dopiranog molarnom koncentracijom od 7 posto i dalje komprimirali širinu impulsa na 59 fs koristeći nelinearno pojačanje. , postižući prosječnu impulsnu snagu do 4,13 W, što je najveća prosječna izlazna snaga vlaknastog lasera sa zaključavanjem moda od ispod sto femtosekundi do danas.
Conclusion
Laser sa srednjim infracrvenim vlaknima, sa kompaktnim fiber laserom, manje održavanja, visoka stabilnost, visok kvalitet snopa i mnoge druge prednosti, fluorid, sulfid, halid, šuplja vlakna i druga srednje infracrvena vlakna, iz aplikacija za moć, spektralno, optičko vlakno , i drugi aspekti razvoja srednjeg infracrvenog lasera uvelike su promovirali razvoj srednjeg infracrvenog lasera, sa srednjim infracrvenim materijalima i tehnologijom optičkih vlakana koja nastavlja sazrijevati, postojat će više visokokvalitetnih srednje infracrvenih laserskih vlakana proizvodi koji će se pojaviti u nacionalnoj odbrani, naučnim istraživanjima, industrijskoj proizvodnji, medicinskoj njezi i drugim poljima da igraju sve veću ulogu.
