Laser inframerah pertengahan 2um-5um mempunyai aplikasi uniknya sendiri: jalur ini meliputi beberapa tingkap atmosfera, menjadikannya berguna untuk LIDAR, komunikasi atmosfera, julat laser, penentukuran spektrometer astronomi resolusi ultra tinggi dan pengesanan optoelektronik, dsb. [1]; jalur inframerah pertengahan mengandungi garis spektrum ciri yang dikenali sebagai "cap jari molekul", yang boleh digunakan untuk kelajuan tinggi, Resolusi tinggi, kepekaan spektrum tinggi, nisbah isyarat-ke-bunyi yang tinggi bagi pengukuran spektroskopi inframerah pertengahan [2] ; molekul air di sekitar 3um mempunyai puncak penyerapan yang kuat supaya ia boleh digunakan dalam banyak operasi perubatan; terletak dalam ikatan kovalen molekul jalur spektrum penyerapan, yang boleh digunakan untuk pengesanan kandungan molekul dan jenis pengenalpastian molekul, untuk mencapai pengimejan molekul dan sebagainya.
Sumber laser pertengahan inframerah yang tersedia secara komersial termasuk laser berayun parametrik OPO, sumber cahaya spektrum supercontinuum, laser lata kuantum dan laser gentian.
Laser gentian inframerah pertengahan, mengikut realisasi gentian inframerah pertengahan boleh dibahagikan kepada aspek aktif dan pasif, terutamanya termasuk laser inframerah pertengahan berdasarkan nadir bumi yang didop, seperti Er3 plus, Dy3 ditambah laser gentian ZBLAN yang didopkan ; laser inframerah pertengahan berdasarkan kesan tak linear, seperti laser Raman, spektrum super-kontinum laser; berdasarkan gentian optik teras berongga dengan struktur pandu gelombang khas, dengan gas yang berbeza untuk mencapai panjang gelombang yang berbeza. Panjang gelombang laser pertengahan inframerah yang berbeza. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan berterusan dan kematangan teknologi laser gentian, penyelidikan di sekitar teknologi laser inframerah pertengahan adalah panas, eksperimen berkaitan dan laporan produk tidak berkesudahan, dan di sini kita hanya membincangkan berasaskan laser gentian inframerah pertengahan panjang gelombang tunggal. pada mendapatkan serat aktif.
Er: gentian optik ZBLAN
Er sebagai unsur nadir bumi mempunyai struktur tahap tenaga yang kaya, zarah-zarah teruja ke tahap tenaga yang lebih tinggi dengan penyerapan keadaan tanah pada panjang gelombang pam 655 nm, 790 nm, dan 980 nm, dan pelepasan 1.55 um boleh dihasilkan melalui pemindahan sinaran dari Tahap tenaga 4I13/2 kepada tahap tenaga 4I15/2, dan pelepasan 2.8 um dengan memindahkan daripada tahap tenaga 4I11/2 kepada tahap tenaga 4I13/2. Lonjakan zarah dari paras tenaga 4F9/2 ke paras tenaga 4I9/2 boleh menghasilkan pelepasan 3.5um. Pada masa ini, ia adalah kaedah yang agak arus perdana untuk mendapatkan pengikat 2.8um daripada gentian Er: gentian ZBLAN yang didop berkepekatan tinggi [4]
Gentian fluorida digunakan untuk 2-3output cahaya um, gentian sulfida digunakan untuk 3-6.5um keluaran cahaya, dan panjang gelombang yang lebih panjang daripada 6.5um boleh dikeluarkan dengan gentian halida. Gentian fluorida terutamanya aluminium fluorida (AlF3), ZBLAN (53 peratus ZrF4-20 peratus BaF2-4 peratus LaF3-3 peratus AlF3-20 peratus NaF) atau indium fluorida (InF3) , dan lain-lain sebagai bahan matriks gentian kaca berbilang komponen fluorida. Salah satu ZBLAN kini lebih biasa digunakan gentian optik, doping nadir bumi boleh dicapai, kerana proses penyambungan gabungannya dengan gentian optik berasaskan silikon agak matang, mesin penyambung gabungan gentian optik komersial boleh digunakan, gentian InF dan AlF boleh digunakan. digunakan sebagai peranti gentian optik (seperti penggabung rasuk) dan pengeluaran penutup hujung gentian optik. Tetapi mudah untuk lembapan adalah kelemahan utama gentian fluorida.
Laser gentian berterusan inframerah pertengahan 2.8um
Pada tahun 1988, Brierley melaporkan 2.7um Er3 ditambah laser gentian doped pertama[5] .
Pada tahun 1999, kuasa keluaran laser gentian Er:ZBLAN mencapai kejayaan dalam skala watt, dan Jackson et al[6] mencapai output laser sebanyak 1.7 W menggunakan gentian ZBLAN terdop bersama Er3 plus / Pr3 plus.
Pada abad ke-21, dengan perkembangan teknologi penyediaan gentian dan teknologi laser gentian, kuasa laser 3um-band telah dipertingkatkan lagi. Antaranya, Universiti Kyoto di Jepun, Universiti Adelaide di Australia, Universiti Laval di Kanada, dan Universiti Shenzhen di China di makmal, telah melaporkan kemajuan percubaan yang sangat baik.
Pada 2015, Fortin et al [7] dari Universiti Laval, Kanada, melaporkan laser gentian fluorida terdop Er3 ditambah dengan kuasa keluaran 30.5 W dan panjang gelombang keluaran 2938 nm. Sistem ini menggunakan parut Bragg gentian berdasarkan etsa intra-teras, iaitu, jeriji pantulan tinggi dan rendah telah terukir dalam gentian ZBLAN dan Er:ZBLAN, masing-masing, untuk membentuk rongga resonans sepanjang 10 m, dan hujung ekor gentian disambungkan dengan penutup akhir AlF3 untuk mengurangkan deliquescence dan untuk meningkatkan kestabilan laser, dengan jumlah kecekapan laser sebanyak 16 peratus pada pengepaman 980 nm.
Pada tahun 2018, Aydin et al [8], Universiti Laval, Kanada, telah menyelesaikan goresan parut dalam keseluruhan bahagian gentian Er:ZBLAN, dan mencapai output laser 41.6 W pada 2.8 um menggunakan laser gentian berterusan dalam mod dwi-pam . Ini adalah kuasa keluaran tertinggi yang dilaporkan bagi laser gentian inframerah pertengahan Er:ZBLAN.
Dalam 2021, Chunyu Guo et al[10] dari Universiti Shenzhen melaporkan keluaran laser inframerah pertengahan 2.8um pertama dengan struktur gentian semua pada kuasa 20W di China. Gentian terdop Er3 plus :ZrF4 yang digunakan mempunyai diameter 15um, apertur berangka NA kira-kira 0.12, jumlah panjang 6.5m, pekali serapan 2-3dB/m@976nm dan grating pemantulan tinggi (99 peratus HR-FBG) dan kisi reflektif rendah (10 peratus OC-FBG) ditulis secara langsung pada gentian perolehan, dengan panjang gelombang tengah 2825 nm, yang membentuk rongga resonans dengan gentian Er. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. ▼ Proses pengikatan gabungan gentian berasaskan silikon dan ZBLAN, serta proses pengikatan gabungan penutup hujung dan gentian pasif, telah dibangunkan secara bebas oleh pasukan wartawan, yang menghasilkan penapis optik pelapisan dan Penutup hujung gentian AlF3. Kecekapan penukaran optik kepada optik ialah 14.5 peratus apabila kuasa pam ialah 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]
Selepas bertahun-tahun usaha, pekerja laser gentian, sangat mengoptimumkan pemprosesan gentian inframerah pertengahan, penggunaan semasa peralatan pemprosesan gentian khas komersial, anda boleh mendapatkan kehilangan gabungan yang lebih rendah, digunakan dalam pemadan medan mod inframerah pertengahan, penggabung/pemecah , penutup hujung keluaran, dan pelbagai peranti lain, untuk melancarkan struktur semua gentian peringkat produk bagi sumber cahaya inframerah pertengahan.
Laser gentian berdenyut Q inframerah pertengahan
Dalam 2020, Sojka et al [11] menggunakan laser 30 W 975 nm yang dipam 15 um diameter teras, 7 peratus kepekatan molar Er: gentian pelapisan dua ZBLAN untuk mencapai output termodulat Q acousto-optik bagi gentian laser pada panjang gelombang 2.8 um pada frekuensi pengulangan 10 kHz, dan output laser dengan tenaga nadi 46 uJ dalam gentian Er:ZBLAN sepanjang 1. 1 m dengan nadi kuasa puncak 0. 821 kW dengan lebar nadi 56 ns. 2021, mereka menggunakan gentian berbilang mod Er:ZBLAN dengan diameter teras 35um dan lebar nadi 26 ns dengan kuasa puncak 12.7 kW dan tenaga nadi 330 uJ [12].
Dalam 2021, Shen et al. mencapai output laser berdenyut pertama sebanyak 2.8um menggunakan modulasi Q elektro-optik. Serat ZBLAN dengan diameter teras 33um didop dengan kepekatan Er sebanyak 6 peratus digunakan sebagai medium perolehan dengan NA 0.12, dan modulator elektro-optik dipilih untuk menjadi kristal RTP dengan lebar nadi 13.1ns tenaga denyut 205.7 uJ dan kuasa puncak 15.7kW, iaitu kuasa puncak tertinggi Er:ZBLAN termodulat Q laser gentian yang diketahui telah dilaporkan.
Laser gentian ultracepat yang dikunci mod inframerah pertengahan
Terdapat gentian Tm-doped dalam gentian berasaskan silikon untuk keluaran laser 2um, dan teknologinya telah agak matang, dengan spesifikasi yang lebih tinggi dicapai satu demi satu apabila teknologi gentian dan peranti matang.
Pada 2018, Universiti Jena melaporkan kuasa purata 1000 W, 256 fs laser ultrafast 2um menggunakan gentian kristal fotonik dop Tm dengan kawasan medan mod yang besar, 50/250-Tm-PM-PCF. ini ialah metrik tertinggi untuk percubaan serupa setakat ini.
Untuk jalur panjang gelombang melebihi 2um, kebanyakan kerja penyelidikan laser gentian semasa menggunakan teknologi penguncian mod pasif, terutamanya dalam bentuk penyerapan tepu serta kesan tak linear. Yang pertama menggunakan bahan dengan sifat penyerapan boleh tepu optik sebagai peranti terkunci mod, seperti SESAM, kristal terdop logam seperti Fe: ZnSe, dsb., manakala yang kedua menggunakan kesan tak linear optik dan cara lain untuk menjana penyerap tepu yang setara, seperti putaran polarisasi tak linear (NPR), cermin gelung optik tak linear (NOLM), dsb.
Pada 2020, Guo et al [14] melaporkan bahawa filem nipis WSe2 telah ditanam sebagai SA menggunakan CVD dan dipindahkan ke cermin bersalut emas untuk membentuk WSe2-SAM, berdasarkan nadi terkunci mod dengan lebar nadi 21 ps, frekuensi semula 42. 43 MHz, dan kuasa purata 360 mW dicapai menggunakan laser 980 nm yang dipam dengan kepekatan molar 6 peratus gentian Er: ZBLAN.
Pada tahun 2022, Qin et al [15] dari Universiti Shanghai Jiaotong menyediakan InAs/GaSb superlattice SESAM menggunakan teknik pertumbuhan epitaxial rasuk molekul, yang boleh melaraskan julat tindak balas penyerap tepu, ketumpatan tenaga tepu dan masa pemulihan dan parameter lain secara fleksibel, dan mencapai output terkunci mod yang stabil daripada laser gentian Er:ZBLAN 3.5um dengan lebar nadi 14.8 ps, kuasa purata 149 mW, dan kekerapan ulangan 36.56 MHz.
Pada 2019, Qin et al [16] dari Universiti Shanghai Jiaotong memendekkan lagi lebar nadi terkunci mod kepada 215 fs menggunakan rod Ge untuk pengurusan serakan, dengan tenaga nadi 9.3 nJ dan kuasa puncak 43.3 kW.
Pada tahun 2020, Gu et al. [17] dari Universiti Shanghai Jiaotong melaporkan nadi soliton dengan keluaran terkunci mod 131 fs, kuasa puncak 22.68 kW, dan tenaga nadi 3 nJ berdasarkan teknik NPR untuk laser gentian Er∶ZBLAN 2.8 μm.
Pada tahun yang sama, Huang et al [18] mencapai keluaran terkunci mod dengan lebar nadi 126 fs dan tenaga nadi 10 nJ dengan mengepam gentian Er: ZBLAN sepanjang 3.3 m pada 980 nm menggunakan teknik NPR, dan penguat Er: ZBLAN dan gentian tak linear ZBLAN memampatkan lagi lebar nadi kepada 15.9 fs, dengan kuasa nadi puncak akhir sebanyak 500 kW.
Pada tahun 2022, Yu et al [19] menyediakan sumber cahaya biji berdenyut dengan lebar denyut 283 fs menggunakan gentian Er:ZBLAN sepanjang 2.4 m yang didopkan dengan kepekatan molar 7 peratus, dan memampatkan lagi lebar nadi kepada 59 fs menggunakan penguatan tak linear , memperoleh kuasa purata berdenyut sehingga 4.13 W, iaitu purata kuasa keluaran tertinggi bagi laser gentian terkunci mod subseratus femtosaat setakat ini.
Ckemasukan
Laser gentian inframerah pertengahan, dengan laser gentian padat, kurang penyelenggaraan, kestabilan tinggi, kualiti rasuk tinggi dan banyak kelebihan lain, fluorida, sulfida, halida, gentian berongga dan gentian inframerah pertengahan lain, daripada aplikasi peranti kuasa, spektrum, gentian optik , dan aspek-aspek lain pembangunan laser pertengahan inframerah telah sangat menggalakkan pembangunan laser pertengahan inframerah, dengan bahan-bahan inframerah pertengahan dan teknologi gentian optik terus matang, akan terdapat lebih banyak laser gentian inframerah pertengahan yang berkualiti tinggi. produk untuk keluar dalam pertahanan negara, penyelidikan saintifik, pembuatan industri, penjagaan perubatan, dan bidang lain untuk memainkan peranan yang lebih besar dan lebih besar.
