2um-5um mellominfrarød laser har sine egne unike applikasjoner: dette båndet dekker flere atmosfæriske vinduer, noe som gjør det nyttig for LIDAR, atmosfærisk kommunikasjon, laseravstandsmåling, kalibrering av astronomiske spektrometre med ultrahøy oppløsning og optoelektronisk deteksjon, etc. [1]; det midt-infrarøde båndet inneholder de karakteristiske spektrallinjene kjent som "molekylære fingeravtrykk", som kan brukes for høy hastighet, høy oppløsning, høy spektral følsomhet, det høye signal-til-støyforholdet til den midt-infrarøde spektroskopimålingen [2] ; vannmolekyler i nærheten av 3um har en sterk absorpsjonstopp slik at den kan brukes i mange medisinske operasjoner; er lokalisert i den molekylære kovalente bindingen til absorpsjonsspektralbåndet, som kan brukes til påvisning av molekylært innhold og molekylær type identifikasjon, for å oppnå molekylær avbildning og så videre.
Kommersielt tilgjengelige mid-infrarøde laserkilder inkluderer OPO parametriske oscillerende lasere, superkontinuum spektrale lyskilder, kvantekaskadelasere og fiberlasere.
Den midt-infrarøde fiberlaseren, i henhold til realiseringen av den midt-infrarøde fiberen, kan deles inn i aktive og passive aspekter, hovedsakelig inkludert den midt-infrarøde laseren basert på dopet sjeldne jordarter, for eksempel Er3 plus , Dy3 pluss dopet ZBLAN fiberlaser ; midt-infrarød laser basert på den ikke-lineære effekten, for eksempel Raman-laseren, superkontinuumspekteret til laseren; basert på den hule optiske fiberen med spesiell bølgelederstruktur, med de forskjellige gassene for å oppnå forskjellige bølgelengder. Ulike bølgelengder til den midt-infrarøde laseren. I de siste årene, med den kontinuerlige utviklingen og modenheten av fiberlaserteknologi, er forskningen rundt den midt-infrarøde laserteknologien varm, relaterte eksperimenter og produktrapporter er uendelige, og her diskuterer vi bare den enkeltbølgelengde mid-infrarøde fiberlaserbaserte på få aktiv fiber.
Er: ZBLAN fiberoptisk
Er som et sjeldent jordelement har en rik energinivåstruktur, blir partiklene eksitert til høyere energinivåer ved grunntilstandsabsorpsjon ved pumpebølgelengder på 655 nm, 790 nm og 980 nm, og 1,55 um-utslipp kan produseres ved strålingsoverføring fra 4I13/2 energinivå til 4I15/2 energinivå, og 2,8 um utslipp ved overføring fra 4I11/2 energinivå til 4I13/2 energinivå. Partikkelhoppet fra 4F9/2 energinivå til 4I9/2 energinivå kan produsere 3,5um utslipp. For tiden er det en relativt vanlig metode for å oppnå 2,8um lasering fra høykonsentrasjonsdopet Er: ZBLAN-fibre [4]
Fluorfiber brukes for 2-3um lyseffekt, sulfidfiber brukes for 3-6.5um lyseffekt, og lengre bølgelengder enn 6.5um kan sendes ut med halogenidfiber. Fluorfiber er hovedsakelig aluminiumfluorid (AlF3), ZBLAN (53 prosent ZrF4-20 prosent BaF2-4 prosent LaF3-3 prosent AlF3-20 prosent NaF) eller indiumfluorid (InF3) , etc. som matrisematerialet til fluorid flerkomponent glassfiber. En av ZBLAN er for tiden mer vanlig brukt optisk fiber, doping av sjeldne jordarter kan oppnås, for fusjonsspleisingsprosessen med silisiumbasert optisk fiber er relativt moden, kommersielle fusjonsskjøtemaskiner for optisk fiber kan brukes, InF og AlF fiber kan brukes brukes som en fiberoptisk enhet (som strålekombinator) og produksjon av fiberoptiske endestykker. Men lett å fukte er den største ulempen med fluorfiber.
2,8um mid-infrarød kontinuerlig fiberlaser
I 1988 rapporterte Brierley den første 2,7um Er3 pluss dopet fiberlaser[5].
I 1999 oppnådde utgangseffekten til Er:ZBLAN fiberlaser et gjennombrudd i wattskalaen, og Jackson et al[6] oppnådde en lasereffekt på 1,7 W ved bruk av Er3 plus / Pr3 plus co-dopet ZBLAN fiber.
I det 21. århundre, med utviklingen av fiberprepareringsteknologi og fiberlaserteknologi, ble kraften til 3um-båndlasere ytterligere økt. Blant dem har Kyoto University i Japan, University of Adelaide i Australia, Laval University i Canada og Shenzhen University i Kina i laboratoriet rapportert om meget utmerket eksperimentell fremgang.
I 2015 rapporterte Fortin et al [7] fra Laval University, Canada, en Er3 pluss dopet fluoridfiberlaser med en utgangseffekt på 30,5 W og en utgangsbølgelengde på 2938 nm. Systemet brukte et fiber Bragg-gitter basert på intra-kjerne-etsing, dvs. høy- og lavrefleksjonsgitter ble etset i henholdsvis ZBLAN- og Er:ZBLAN-fibrene for å danne et 10 m langt resonanshulrom, og fiberendeenden ble koblet til med en AlF3 endehette for å redusere utflytningen og for å forbedre stabiliteten til laseren, med en total lasereffektivitet på 16 prosent ved 980 nm pumping.
I 2018 fullførte Aydin et al [8], Laval University, Canada, gitteretsing innenfor en hel seksjon av Er:ZBLAN-fiber, og oppnådde en lasereffekt på 41,6 W ved 2,8 um ved bruk av en kontinuerlig fiberlaser i en dual-pumping-modus . Dette er den høyeste kjente rapporterte utgangseffekten til en Er:ZBLAN mid-infrarød fiberlaser.
I 2021 rapporterte Chunyu Guo et al[10] fra Shenzhen University den første 2,8um mellominfrarøde laserutgangen med en helfiberstruktur med en effekt på 20W i Kina. Den Er3 plus :ZrF4 dopede fiberen som brukes har en diameter på 15um, en numerisk åpning NA på ca. 0,12, en total lengde på 6,5m, en absorpsjonskoeffisient på 2-3dB/m@976nm, og et høyreflekterende gitter. (99 prosent HR-FBG) og et lavreflekterende gitter (10 prosent OC-FBG) direkte innskrevet på en forsterkningsfiber, med en senterbølgelengde på 2825 nm, som danner et resonanshulrom med Er-fiberen. Som vist i fig. ▼ Fusjonsbindingsprosessen for de silisiumbaserte og ZBLAN-fibrene, samt fusjonsbindingsprosessen for endekappene og passive fibre, ble uavhengig utviklet av reporterens team, som produserte de optiske kledningsfiltrene og AlF3 fiber endestykker. Den optisk-til-optiske konverteringseffektiviteten er 14,5 prosent 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]
Etter år med innsats, fiber laser arbeidere, sterkt optimalisert behandlingen av mid-infrarød fiber, den nåværende bruken av kommersielt spesialfiber prosesseringsutstyr, kan du få lavere fusjonstap, brukes i mid-infrarød modus feltmatcher, combiner/splitter , utgangsendestykket og en rekke andre enheter, for å lansere helfiberstrukturen på produktnivå til den midt-infrarøde lyskilden.
Midt-infrarød Q-pulset fiberlaser
I 2020 brukte Sojka et al [11] en 30 W 975 nm laserpumpet 15 um kjernediameter, 7 prosent molar konsentrasjon Er:ZBLAN dobbeltkledningsfiber for å oppnå akusto-optisk Q-modulert utgang av en fiber laser med en bølgelengde på 2,8 um ved en repetisjonsfrekvens på 10 kHz, og en laserutgang med en pulsenergi på 46 uJ i en 1,1 m lang Er:ZBLAN-fiber med en puls med toppeffekt på 0,821 kW med en pulsbredde på 56 ns. I 2021 brukte de en Er:ZBLAN multimodusfiber med en kjernediameter på 35um og en pulsbredde på 26 ns med en toppeffekt på 12,7 kW og en pulsenergi på 330 uJ [12].
I 2021, Shen et al. oppnådde den første pulsede laserutgangen på 2,8um ved bruk av elektro-optisk Q-modulasjon. En ZBLAN-fiber med en kjernediameter på 33um dopet med Er-konsentrasjon på 6 prosent ble brukt som forsterkningsmedium med NA 0,12, og den elektrooptiske modulatoren ble valgt til å være en RTP-krystall med en pulsbredde på 13,1ns pulsenergi på 205,7 uJ og en toppeffekt på 15,7 kW, som er den høyeste toppeffekten Er:ZBLAN-modulert Q-fiberlaser kjent for å ha blitt rapportert.
Midt-infrarød moduslåst ultrarask fiberlaser
Det er Tm-dopete fibre i silisiumbaserte fibre for produksjon av 2um-lasere, og teknologien har vært relativt moden, med høyere spesifikasjoner som oppnås én etter én etter hvert som fiber- og enhetsteknologier modnes.
I 2018 rapporterte Jena University 1000 W gjennomsnittlig effekt, 256 fs med 2um ultrarask laser ved bruk av en Tm-dopet fotonisk krystallfiber med et stort modusfeltområde, 50/250-Tm-PM-PCF. dette er den høyeste verdien for lignende eksperimenter så langt.
For bølgelengdebåndet over 2um bruker det meste av dagens fiberlaserforskningsarbeid passiv moduslåsingsteknologi, hovedsakelig i form av mettbar absorpsjon så vel som ikke-lineære effekter. Førstnevnte bruker materialer med optisk mettbare absorpsjonsegenskaper som moduslåste enheter, som SESAM, metalldopede krystaller som Fe: ZnSe, etc., mens sistnevnte benytter optiske ikke-lineære effekter og andre midler for å generere tilsvarende mettbare absorbere, som f.eks. ikke-lineær polarisasjonsrotasjon (NPR), ikke-lineær optisk sløyfespeil (NOLM), etc.
I 2020 rapporterte Guo et al [14] at WSe2-tynne filmer ble dyrket som SA ved bruk av CVD og overført til gullbelagte speil for å danne WSe2-SAM, basert på hvilken en moduslåst puls med en pulsbredde på 21 ps, en re-frekvens på 42,43 MHz, og en gjennomsnittlig effekt på 360 mW ble oppnådd ved bruk av en 980 nm laser pumpet med en 6 prosent molar konsentrasjon av Er:ZBLAN fiber.
I 2022 forberedte Qin et al [15] fra Shanghai Jiaotong University InAs/GaSb supergitter SESAM ved bruk av molekylær stråle epitaksial vekstteknikk, som fleksibelt kan justere responsområdet til den mettbare absorberen, metningsenergitetthet og gjenopprettingstid og andre parametere, og oppnådde en stabil moduslåst utgang fra en 3,5um Er:ZBLAN fiberlaser med en pulsbredde på 14,8 ps, en gjennomsnittlig effekt på 149 mW og en repetisjonsfrekvens på 36,56 MHz.
I 2019 forkortet Qin et al [16] fra Shanghai Jiaotong University ytterligere den moduslåste pulsbredden til 215 fs ved å bruke Ge-staver for spredningshåndtering, med en pulsenergi på 9,3 nJ og en toppeffekt på 43,3 kW.
I 2020, Gu et al. [17] fra Shanghai Jiaotong University rapporterte en soliton-puls med 131 fs moduslåst utgang, 22,68 kW toppeffekt og 3 nJ pulsenergi basert på NPR-teknikken for en 2,8 μm Er∶ZBLAN-fiberlaser.
Samme år oppnådde Huang et al [18] en moduslåst utgang med en pulsbredde på 126 fs og en pulsenergi på 10 nJ ved å pumpe en 3,3 m lang Er: ZBLAN-fiber ved 980 nm ved bruk av NPR-teknikken, og Er: ZBLAN-forsterkeren og den ikke-lineære ZBLAN-fiberen komprimerte pulsbredden ytterligere til 15,9 fs, med en endelig topppulseffekt på 500 kW.
I 2022 forberedte Yu et al [19] en pulsert frølyskilde med en pulsbredde på 283 fs ved bruk av en 2,4 m lang Er:ZBLAN-fiber dopet med 7 prosent molar konsentrasjon, og komprimerte pulsbredden ytterligere til 59 fs ved bruk av ikke-lineær forsterkning , som oppnår en pulsert gjennomsnittseffekt på opptil 4,13 W, som er den høyeste gjennomsnittlige utgangseffekten til en moduslåst fiberlaser på under hundre femtosekunder til dags dato.
Cinklusjon
Midt-infrarød fiberlaser, med fiberlaser kompakt, mindre vedlikehold, høy stabilitet, høy strålekvalitet og mange andre fordeler, fluorid, sulfid, halogenid, hulfiber og andre mellominfrarøde fibre, fra kraft, spektral, fiberoptisk enhetsapplikasjoner , og andre aspekter ved utviklingen av mid-infrarød laser har i stor grad fremmet utviklingen av mid-infrarød laser, med mid-infrarøde materialer og fiberoptisk teknologi fortsetter å modnes, vil det være mer høykvalitets mid-infrarød fiberlaser produkter for å komme ut i nasjonalt forsvar, vitenskapelig forskning, industriell produksjon, medisinsk behandling og andre felt for å spille en større og større rolle.
