2um{1}}um keskmise infrapuna laseril on oma unikaalsed rakendused: see riba katab mitmeid atmosfääriaknaid, muutes selle kasulikuks LIDAR-i, atmosfäärikommunikatsiooni, laserkauguse määramise, ülikõrge eraldusvõimega astronoomiliste spektromeetrite kalibreerimise ja optoelektroonilise tuvastamise jaoks, jne [1]; keskmine infrapunariba sisaldab iseloomulikke spektrijooni, mida nimetatakse "molekulaarseteks sõrmejälgedeks", mida saab kasutada suure kiiruse, kõrge eraldusvõime, kõrge spektritundlikkuse ja keskmise infrapunaspektroskoopia mõõtmise kõrge signaali-müra suhte jaoks [2] ; veemolekulidel 3um läheduses on tugev neeldumispiik, nii et seda saab kasutada paljudes meditsiinilistes operatsioonides; asub neeldumisspektri riba molekulaarses kovalentses sidemes, mida saab kasutada molekulaarse sisu ja molekulaarse identifitseerimise tuvastamiseks, molekulaarse kujutise saavutamiseks ja nii edasi.
Kaubanduslikult saadaolevate keskmise infrapuna laseriallikate hulka kuuluvad OPO parameetrilised võnkuvad laserid, superkontiinumspektraalsed valgusallikad, kvantkaskaadlaserid ja kiudlaserid.
Keskmise infrapuna kiudlaseri võib vastavalt keskmise infrapunakiu teostusele jagada aktiivseteks ja passiivseteks aspektideks, sealhulgas peamiselt haruldaste muldmetallide legeeritud muldmetallidel, näiteks Er3 plus, Dy3 plus legeeritud ZBLAN kiudlaser. ; keskmise infrapuna laser, mis põhineb mittelineaarsel efektil, näiteks Ramani laser, laseri superkontiinuumspekter; põhineb spetsiaalse lainejuhi struktuuriga õõnestuumalisel optilisel kiul, erinevate gaasidega erinevate lainepikkuste saavutamiseks. Keskmise infrapuna laseri erinevad lainepikkused. Viimastel aastatel on kiudlasertehnoloogia pideva arengu ja küpsuse tõttu kesk-infrapuna lasertehnoloogia uurimine kuum, seotud katsed ja tootearuanded on lõputud ning siin käsitleme ainult ühe lainepikkusega keskmise infrapuna kiudlaserit. aktiivsete kiudude saamisel.
Er: ZBLAN fiiberoptiline
Kuna haruldaste muldmetallide elemendil on rikkalik energiataseme struktuur, ergastatakse osakesed põhiseisundi neeldumise teel kõrgemale energiatasemele pumba lainepikkustel 655 nm, 790 nm ja 980 nm ning 1,55 um emissiooni saab tekitada kiirguse ülekandel 4I13/2 energiatase energiatasemele 4I15/2 ja 2,8 um emissioon energiatasemelt 4I11/2 üleminekul energiatasemele 4I13/2. Osakeste hüpe energiatasemelt 4F9/2 energiatasemele 4I9/2 võib tekitada 3,5 um emissiooni. Praegu on see suhteliselt levinud meetod 2,8 um laseri saamiseks suure kontsentratsiooniga legeeritud Er: ZBLAN kiududest [4]
Fluoriidkiudu kasutatakse 2-3um valguse väljundiks, sulfiidkiudu kasutatakse 3-6,5 um valguse väljundiks ja halogeniidkiuga saab väljastada pikemaid lainepikkusi kui 6,5 um. Fluoriidkiud on peamiselt alumiiniumfluoriid (AlF3), ZBLAN (53 protsenti ZrF4-20 protsenti BaF2-4 protsenti LaF3-3 protsenti AlF3-20 protsenti NaF) või indiumfluoriid (InF3) jne fluoriidi mitmekomponendilise klaaskiu maatriksmaterjalina. Üks ZBLAN-idest on praegu sagedamini kasutatav optiline kiud, on võimalik saavutada haruldaste muldmetallide doping, kuna selle liitmisprotsess ränipõhise optilise kiuga on suhteliselt küps, saab kasutada kaubanduslikke optiliste kiudude liitmismasinaid, InF- ja AlF-kiudusid saab kasutada. kasutatakse fiiberoptilise seadmena (nt kiirkombinaatorina) ja fiiberoptiliste otsakatete tootmiseks. Kuid kergesti niisutatav on fluoriidkiu peamine puudus.
2,8 um keskmise infrapuna pidev fiiberlaser
1988. aastal teatas Brierley esimesest 2,7 um Er3 pluss legeeritud kiudlaserist[5].
1999. aastal saavutas Er:ZBLAN kiudlaseri väljundvõimsus läbimurde vattide skaalal ning Jackson jt[6] saavutasid Er3 pluss / Pr3 pluss koos legeeritud ZBLAN kiudu kasutades laseri väljundvõimsuseks 1,7 W.
21. sajandil suurendati kiudude ettevalmistamise tehnoloogia ja kiudlasertehnoloogia arenguga 3um-riba laserite võimsust veelgi. Nende hulgas on Jaapani Kyoto ülikool, Austraalia Adelaide'i ülikool, Kanada Lavali ülikool ja Hiina Shenzheni ülikool laboris teatanud väga suurepärastest eksperimentaalsetest edusammudest.
2015. aastal teatasid Fortin jt [7] Kanada Lavali ülikoolist Er3 pluss legeeritud fluoriidkiudlaserist, mille väljundvõimsus oli 30,5 W ja väljundlainepikkus 2938 nm. Süsteem kasutas südamikusisesel söövitamisel põhinevat fiiber-Braggi võre, st ZBLAN ja Er:ZBLAN kiududesse söövitati vastavalt kõrge ja madala peegeldusega võred, et moodustada 10 m pikkune resonantsõõnsus ning kiu sabaots ühendati. AlF3 otsakorgiga, et vähendada vedeldamist ja parandada laseri stabiilsust, mille laseri koguefektiivsus on 16 protsenti 980 nm pumpamisel.
2018. aastal lõpetasid Aydin jt [8], Lavali ülikool, Kanada Er:ZBLAN kiu terves osas võre söövitamise ja saavutasid 41,6 W laserväljundi 2,8 um juures, kasutades pidevat kiudlaserit kahe pumpamise režiimis. . See on Er:ZBLAN-i keskmise infrapunakiudlaseri teadaolev suurim teadaolev väljundvõimsus.
Aastal 2021 teatasid Chunyu Guo jt[10] Shenzheni ülikoolist Hiinas esimesest 2,8 um keskmise infrapuna laseri väljundist koos kiudstruktuuriga 20 W võimsusega. Kasutatava Er3 plus :ZrF4 legeeritud kiu läbimõõt on 15 um, arvuline ava NA on umbes 0,12, kogupikkus 6,5 m, neeldumistegur 2-3 dB/m@976 nm ja suure peegeldusvõimega võre. (99 protsenti HR-FBG) ja madala peegeldusvõimega võre (10 protsenti OC-FBG), mis on kantud otse võimenduskiule, kesklainepikkusega 2825 nm, mis moodustab Er-kiuga resonantsõõnsuse. Nagu on näidatud joonisel ▼. Ränipõhiste ja ZBLAN-kiudude liitmisprotsessi, samuti otsakatete ja passiivsete kiudude liitmisprotsessi töötas sõltumatult välja reporterimeeskond, kes valmistas katte optilised filtrid ja AlF3 kiu otsakatted. Optilisest optiliseks muundamise efektiivsus on 14,5 protsenti, kui pumba võimsus on 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]
Pärast aastaid kestnud pingutusi on kiudlaseri töötajad optimeerinud oluliselt keskmise infrapunakiu töötlemist, praegu kasutatakse kaubanduslikke spetsiaalseid kiudude töötlemisseadmeid, saate väiksema sulamiskadu, kasutatakse keskmise infrapuna režiimi välja sobitajas, kombineerijas/jaoturis. , väljundi otsakork ja mitmed muud seadmed, et käivitada keskmise infrapuna valgusallika tootetasemel kiudstruktuuriga struktuur.
Keskmise infrapuna Q-impulssiga kiudlaser
Aastal 2020 kasutasid Sojka jt [11] 30 W 975 nm laseriga pumbatud 15 um südamiku läbimõõduga 7% molaarset kontsentratsiooni Er:ZBLAN topeltkattekiudu, et saavutada kiu akusto-optiline Q-moduleeritud väljund. laser lainepikkusel 2,8 um kordussagedusel 10 kHz ja laserväljund impulsienergiaga 46 uJ 1,1 m pikkuses Er:ZBLAN kius, mille tippvõimsus on 0,821 kW. impulsi laius 56 ns. 2021. aastal kasutasid nad Er:ZBLAN mitmemoodilist kiudu, mille südamiku läbimõõt oli 35 um ja impulsi laius 26 ns, tippvõimsusega 12,7 kW ja impulsi energiaga 330 uJ [12].
2021, Shen et al. saavutas elektro-optilise Q modulatsiooni abil esimese impulsslaseri väljundi 2,8 um. Võimenduskeskkonnana kasutati ZBLAN-kiudu südamiku läbimõõduga 33 um, mis oli legeeritud Er-kontsentratsiooniga 6%, mille NA oli 0,12, ja elektrooptiliseks modulaatoriks valiti RTP-kristall impulsi laiusega 13,1 ns impulsienergiaga 205,7. uJ ja tippvõimsus 15,7 kW, mis on teadaolevalt teatatud suurim Er:ZBLAN moduleeritud Q fiiberoplaseri tippvõimsus.
Keskmise infrapuna režiimiga lukustatud ülikiire kiudlaser
Ränipõhistes kiududes on 2 um laserite väljundiks Tm-leegitud kiud ja tehnoloogia on olnud suhteliselt küps ning kiu ja seadme tehnoloogiate küpsedes saavutatakse ükshaaval kõrgemad spetsifikatsioonid.
2018. aastal teatas Jena ülikool 1000 W keskmisest võimsusest, 256 fs 2 um ülikiirest laserist, mis kasutab suure režiimivälja pindalaga Tm-leegeeritud fotoonkristallkiudu, 50/250-Tm-PM-PCF. see on sarnaste katsete seni kõrgeim näitaja.
Üle 2 um lainepikkusriba puhul kasutab enamik praegustest kiudlaserite uurimistöödest passiivse režiimi lukustamise tehnoloogiat, peamiselt küllastuva neeldumise ja mittelineaarsete efektide kujul. Esimene kasutab optiliselt küllastuvate neeldumisomadustega materjale režiimilukuga seadmetena, nagu SESAM, metalliga legeeritud kristalle, nagu Fe: ZnSe jne, samas kui teine kasutab optilisi mittelineaarseid efekte ja muid vahendeid samaväärsete küllastuvate neeldurite (nt. mittelineaarne polarisatsioonipööre (NPR), mittelineaarne optiline silmuspeegel (NOLM) jne.
2020. aastal teatasid Guo jt [14], et WSe2 õhukesi kilesid kasvatati SA-na, kasutades CVD-d, ja kanti üle kullatud peeglitesse, et moodustada WSe2-SAM, mille põhjal moodustati režiimilukuga impulss impulsi laiusega 21 ps, kordussagedus 42,43 MHz ja keskmine võimsus 360 mW saavutati 980 nm laseriga, mida pumbati Er:ZBLAN kiudude 6-protsendilise molaarkontsentratsiooniga.
2022. aastal valmistasid Qin jt [15] Shanghai Jiaotongi ülikoolist InAs/GaSb supervõre SESAM, kasutades molekulaarkiire epitaksiaalse kasvu tehnikat, mis suudab paindlikult reguleerida küllastuva neelduja reaktsioonivahemikku, küllastusenergia tihedust ning taastumisaega ja muid parameetreid ning saavutas stabiilse režiimilukuga väljundi 3,5 um Er:ZBLAN kiudlaserist impulsi laiusega 14,8 ps, keskmise võimsusega 149 mW ja kordussagedusega 36,56 MHz.
2019. aastal lühendasid Qin jt [16] Shanghai Jiaotongi ülikoolist režiimilukuga impulsi laiust veelgi 215 fs-ni, kasutades dispersiooni juhtimiseks Ge vardaid, impulsi energiaga 9,3 nJ ja tippvõimsusega 43,3 kW.
2020. aastal avaldasid Gu jt. [17] Shanghai Jiaotongi ülikoolist teatas solitonimpulssist 131 fs režiimilukuga väljundiga, 22,68 kW tippvõimsusega ja 3 nJ impulsienergiaga, mis põhines NPR-tehnikal 2,8 μm Er∶ZBLAN kiudlaseri jaoks.
Samal aastal saavutasid Huang jt [18] režiimilukuga väljundi impulsi laiusega 126 fs ja impulsi energiaga 10 nJ, pumbates NPR tehnikat kasutades 3,3 m pikkust Er: ZBLAN kiudu 980 nm juures ja Er: ZBLAN võimendi ja ZBLAN mittelineaarne fiiber surusid impulsi laiuse veelgi kokku 15,9 fs-ni, lõpliku impulsi tippvõimsusega 500 kW.
2022. aastal valmistasid Yu jt [19] impulssvalgusallika impulsi laiusega 283 fs, kasutades 2,4 m pikkust Er:ZBLAN kiudu, mis oli legeeritud 7-protsendilise molaarkontsentratsiooniga, ja tihendasid impulsi laiuse mittelineaarset võimendust kasutades 59 fs-ni. , saades impulsi keskmiseks võimsuseks kuni 4,13 W, mis on alla saja-femtosekundilise režiimiga lukustatud fiiberoplaseri seni suurim keskmine väljundvõimsus.
Ckaasamine
Keskmise infrapuna kiudlaser, kompaktne kiudlaser, vähem hooldust, kõrge stabiilsus, kõrge valgusvihu kvaliteet ja palju muid eeliseid, fluoriid, sulfiid, halogeniid, õõneskiud ja muud keskmise pikkusega infrapunakiud võimsuse, spektri ja kiudoptiliste seadmete rakendustest , ja muud keskmise infrapuna laseri arendamise aspektid on oluliselt edendanud keskmise infrapuna laseri arengut, kuna keskmise infrapunaga materjalid ja kiudoptiline tehnoloogia arenevad jätkuvalt, on rohkem kvaliteetset keskmise infrapuna kiudlaserit. tooted tulevad välja riigikaitses, teadusuuringutes, tööstuslikus tootmises, arstiabis ja muudes valdkondades, et mängida üha suuremat rolli.
