El làser d'infraroig mitjà 2um-5um té les seves pròpies aplicacions úniques: aquesta banda cobreix diverses finestres atmosfèriques, la qual cosa la fa útil per a LIDAR, comunicacions atmosfèriques, abast làser, calibratge d'espectròmetres astronòmics d'ultra alta resolució i detecció optoelectrònica. etc. [1]; la banda d'infraroig mitjà conté les línies espectrals característiques conegudes com "empremtes dactilars moleculars", que es poden utilitzar per a alta velocitat, alta resolució, alta sensibilitat espectral, l'alta relació senyal-soroll de la mesura de l'espectroscòpia d'infraroig mitjà [2] ; les molècules d'aigua a les proximitats de 3um tenen un fort pic d'absorció de manera que es pot utilitzar en moltes operacions mèdiques; es troba a l'enllaç covalent molecular de la banda espectral d'absorció, que es pot utilitzar per a la detecció de contingut molecular i tipus d'identificació molecular, per aconseguir la imatge molecular, etc.
Les fonts làser d'infraroig mitjà disponibles comercialment inclouen làsers oscil·lants paramètrics OPO, fonts de llum espectral de supercontinu, làsers de cascada quàntica i làsers de fibra.
El làser de fibra d'infraroig mitjà, segons la realització de la fibra d'infraroig mitjà, es pot dividir en aspectes actius i passius, incloent principalment el làser d'infraroig mitjà basat en terres rares dopades, com ara Er3 plus, Dy3 plus làser de fibra ZBLAN dopat. ; làser d'infraroig mitjà basat en l'efecte no lineal, com ara el làser Raman, l'espectre supercontinu del làser; basat en la fibra òptica de nucli buit amb estructura especial de guia d'ona, amb els diferents gasos per aconseguir diferents longituds d'ona. Diferents longituds d'ona del làser d'infraroig mitjà. En els darrers anys, amb el desenvolupament continu i la maduresa de la tecnologia làser de fibra, la investigació al voltant de la tecnologia làser d'infraroig mitjà és calenta, els experiments relacionats i els informes de productes són infinits, i aquí només parlem del làser de fibra d'infraroig mitjà d'una sola longitud d'ona. en guanyar fibra activa.
Er: fibra òptica ZBLAN
Com que un element de terres rares té una estructura de nivell d'energia rica, les partícules s'exciten a nivells d'energia més alts mitjançant l'absorció de l'estat fonamental a longituds d'ona de la bomba de 655 nm, 790 nm i 980 nm, i l'emissió d'1,55 um es pot produir per transferència radiativa des de Nivell d'energia 4I13/2 al nivell d'energia 4I15/2 i emissió de 2,8 um mitjançant la transferència del nivell d'energia 4I11/2 al nivell d'energia 4I13/2. El salt de partícules del nivell d'energia 4F9/2 al nivell d'energia 4I9/2 pot produir una emissió de 3,5 um. Actualment, és un mètode relativament corrent per obtenir làser de 2,8um a partir de fibres Er: ZBLAN dopades d'alta concentració [4]
La fibra de fluor s'utilitza per a l'emissió de llum 2-3um, la fibra de sulfur s'utilitza per a la sortida de llum 3-6,5 um i es poden emetre longituds d'ona superiors a 6,5 um amb fibra d'halogenur. La fibra de fluorur és principalment fluorur d'alumini (AlF3), ZBLAN (53% ZrF4-20% BaF2-4% LaF3-3% AlF{3-20% NaF) o fluorur d'indi (InF3) , etc. com el material de la matriu de la fibra de vidre multicomponent de fluorur. Un dels ZBLAN és actualment la fibra òptica més utilitzada, es pot aconseguir el dopatge de terres rares, ja que el seu procés d'empalmament de fusió amb fibra òptica basada en silici és relativament madur, es poden utilitzar màquines comercials d'empalmament de fibra òptica, es poden utilitzar fibres InF i AlF. s'utilitza com a dispositiu de fibra òptica (com ara un combinador de feixos) i la producció de tapes d'extrem de fibra òptica. Però fàcil d'humitat és el principal desavantatge de la fibra de fluor.
Làser de fibra contínua d'infrarojos mitjans de 2,8um
El 1988, Brierley va informar del primer làser de fibra dopat Er3 de 2,7 um més[5] .
El 1999, la potència de sortida del làser de fibra Er:ZBLAN va aconseguir un avenç en l'escala de watts, i Jackson et al[6] van aconseguir una sortida làser d'1,7 W utilitzant fibra ZBLAN co-dopada Er3 plus / Pr3 plus.
Al segle XXI, amb el desenvolupament de la tecnologia de preparació de fibra i la tecnologia làser de fibra, la potència dels làsers de banda 3um es va incrementar encara més. Entre ells, la Universitat de Kyoto al Japó, la Universitat d'Adelaida a Austràlia, la Universitat Laval al Canadà i la Universitat de Shenzhen a la Xina al laboratori, han informat d'un progrés experimental molt excel·lent.
El 2015, Fortin et al [7] de la Universitat de Laval, Canadà, van informar d'un làser de fibra de fluorur dopat Er3 plus amb una potència de sortida de 30,5 W i una longitud d'ona de sortida de 2938 nm. El sistema va utilitzar una reixa de Bragg de fibra basada en gravat intra-nucli, és a dir, es van gravar reixes de reflex alta i baixa a les fibres ZBLAN i Er:ZBLAN, respectivament, per formar una cavitat ressonant de 10 m de llarg, i es va connectar l'extrem de la cua de la fibra. amb una tapa final AlF3 per reduir la deliquescència i millorar l'estabilitat del làser, amb una eficiència total del làser del 16 per cent a 980 nm de bombeig.
El 2018, Aydin et al [8], Universitat de Laval, Canadà, van completar el gravat de reixetes dins d'una secció sencera de fibra Er:ZBLAN i van aconseguir una sortida làser de 41,6 W a 2,8 um mitjançant un làser de fibra contínua en un mode de bombeig dual. . Aquesta és la potència de sortida més alta coneguda d'un làser de fibra d'infrarojos mitjans Er:ZBLAN.
El 2021, Chunyu Guo et al[10] de la Universitat de Shenzhen van informar de la primera sortida làser d'infraroig mitjà de 2,8 um amb una estructura de fibra totalment a una potència de 20 W a la Xina. La fibra dopada Er3 plus:ZrF4 utilitzada té un diàmetre de 15um, una obertura numèrica NA d'uns 0,12, una longitud total de 6,5 m, un coeficient d'absorció de 2-3dB/m@976nm i una reixa d'alta reflexió. (99 per cent HR-FBG) i una reixa de poca reflexió (10 per cent OC-FBG) inscrita directament en una fibra de guany, amb una longitud d'ona central de 2825 nm, que forma una cavitat de ressonància amb la fibra Er. Com es mostra a la figura ▼ El procés d'unió de fusió de les fibres basades en silici i ZBLAN, així com el procés d'unió de fusió de les tapes finals i fibres passives, va ser desenvolupat de manera independent per l'equip del periodista, que va fabricar els filtres òptics de revestiment i el Tapes extrems de fibra AlF3. L'eficiència de conversió òptica a òptica és del 14,5 per cent quan la potència de la bomba és de 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]
Després d'anys d'esforços, els treballadors del làser de fibra, van optimitzar molt el processament de la fibra d'infraroig mitjà, l'ús actual d'equips comercials especials de processament de fibra, podeu obtenir una pèrdua de fusió més baixa, s'utilitza en el mode d'infraroig mitjà, combinador/divisor. , la tapa final de sortida i una varietat d'altres dispositius, per tal de llançar l'estructura de fibra a nivell de producte de la font de llum d'infrarojos mitjans.
Làser de fibra Q-pulsed d'infrarojos mitjans
A 2020, Sojka et al [11] van utilitzar un làser de 30 W 975 nm bombejat amb un nucli de 15 um de diàmetre, una concentració molar d'un 7% de fibra de doble revestiment Er:ZBLAN per aconseguir una sortida acústo-òptica Q-modulada d'una fibra làser a una longitud d'ona de 2,8 um a una freqüència de repetició de 10 kHz, i una sortida làser amb una energia de pols de 46 uJ en una fibra Er:ZBLAN d'1,1 m de llarg amb un pols de potència màxima de 0,821 kW amb un amplada de pols de 56 ns. 2021, van utilitzar una fibra multimode Er:ZBLAN amb un diàmetre central de 35um i una amplada de pols de 26 ns amb una potència màxima de 12,7 kW i una energia de pols de 330 uJ [12].
A 2021, Shen et al. va aconseguir la primera sortida làser polsada de 2,8um mitjançant la modulació Q electro-òptica. Es va utilitzar una fibra ZBLAN amb un diàmetre central de 33um dopat amb una concentració d'Er del 6 per cent com a mitjà de guany amb NA 0,12, i el modulador electro-òptic es va seleccionar per ser un cristall RTP amb una amplada de pols de 13,1 ns d'energia de pols de 205,7 ns. uJ i una potència màxima de 15,7 kW, que és la potència màxima més alta del làser de fibra Q modulada Er:ZBLAN que s'ha informat.
Làser de fibra ultraràpida bloquejada en mode d'infrarojos mitjans
Hi ha fibres dopades amb Tm en fibres basades en silici per a la producció de làsers de 2um, i la tecnologia ha estat relativament madura, amb especificacions més elevades que s'han aconseguit una per una a mesura que maduren les tecnologies de fibra i dispositius.
El 2018, la Universitat de Jena va informar d'una potència mitjana de 1000 W, 256 fs de làser ultraràpid de 2um que utilitzava una fibra de cristall fotònic dopat amb Tm amb una gran àrea de camp de mode, 50/250-Tm-PM-PCF. aquesta és la mètrica més alta per a experiments similars fins ara.
Per a la banda de longitud d'ona superior a 2um, la major part del treball de recerca de làser de fibra actual adopta tecnologia de bloqueig de mode passiu, principalment en forma d'absorció saturable i efectes no lineals. El primer utilitza materials amb propietats d'absorció òpticament saturables com a dispositius de bloqueig de mode, com ara SESAM, cristalls dopats amb metall com Fe: ZnSe, etc., mentre que el segon utilitza efectes òptics no lineals i altres mitjans per generar absorbents saturables equivalents, com ara. rotació de polarització no lineal (NPR), mirall de bucle òptic no lineal (NOLM), etc.
El 2020, Guo et al [14] van informar que les pel·lícules primes WSe2 es van cultivar com a SA mitjançant CVD i es van transferir a miralls xapats en or per formar WSe2-SAM, basant-se en un pols bloquejat en mode amb una amplada de pols de 21 ps, una re-freqüència de 42, 43 MHz i una potència mitjana de 360 mW es va aconseguir mitjançant un làser de 980 nm bombat amb una concentració molar del 6 per cent de fibra Er:ZBLAN.
L'any 2022, Qin et al [15] de la Universitat Jiaotong de Xangai van preparar SESAM de superretícula InAs/GaSb mitjançant la tècnica de creixement epitaxial del feix molecular, que pot ajustar de manera flexible el rang de resposta de l'absorbidor saturable, la densitat d'energia de saturació i el temps de recuperació i altres paràmetres, i va aconseguir una sortida de mode de bloqueig estable d'un làser de fibra Er:ZBLAN de 3,5 um amb una amplada de pols de 14,8 ps, una potència mitjana de 149 mW i una freqüència de repetició de 36,56 MHz.
El 2019, Qin et al [16] de la Universitat Jiaotong de Xangai van escurçar encara més l'amplada del pols bloquejat en mode a 215 fs utilitzant barres Ge per a la gestió de la dispersió, amb una energia de pols de 9,3 nJ i una potència màxima de 43,3 kW.
El 2020, Gu et al. [17] de la Universitat Jiaotong de Xangai va informar d'un pols de solitons amb una sortida bloquejada en mode de 131 fs, una potència màxima de 22,68 kW i una energia de pols de 3 nJ basada en la tècnica NPR per a un làser de fibra Er∶ZBLAN de 2,8 μm.
El mateix any, Huang et al [18] van aconseguir una sortida bloquejada en mode amb una amplada de pols de 126 fs i una energia de pols de 10 nJ bombejant una fibra Er: ZBLAN de 3,3 m de llarg a 980 nm mitjançant la tècnica NPR, i l'amplificador Er: ZBLAN i la fibra no lineal ZBLAN van comprimir encara més l'amplada del pols a 15,9 fs, amb una potència de pols màxima final de 500 kW.
El 2022, Yu et al [19] van preparar una font de llum de llavors polsada amb una amplada de pols de 283 fs utilitzant una fibra Er:ZBLAN de 2,4 m de llarg dopada amb una concentració molar del 7% i van comprimir encara més l'amplada del pols a 59 fs mitjançant amplificació no lineal. , obtenint una potència mitjana polsada de fins a 4,13 W, que és la potència mitjana de sortida més alta d'un làser de fibra bloquejat en mode de menys de cent femtosegons fins ara.
Conclusió
Làser de fibra d'infraroig mitjà, amb làser de fibra compacte, menys manteniment, alta estabilitat, alta qualitat del feix i molts altres avantatges, fluorur, sulfur, halogenur, fibra buida i altres fibres d'infraroig mitjà, de la potència, espectral, aplicacions de dispositius de fibra òptica , i altres aspectes del desenvolupament del làser d'infraroig mitjà ha promogut molt el desenvolupament del làser d'infraroig mitjà, amb els materials d'infraroig mitjà i la tecnologia de fibra òptica continua madurant, hi haurà més làser de fibra d'infraroig mitjà d'alta qualitat. productes per sortir en defensa nacional, investigació científica, fabricació industrial, atenció mèdica i altres camps per jugar un paper cada vegada més gran.
