2um-5um mellaninfraröd laser har sina egna unika tillämpningar: detta band täcker flera atmosfäriska fönster, vilket gör det användbart för LIDAR, atmosfärisk kommunikation, laseravståndsavstånd, kalibrering av astronomiska spektrometrar med ultrahög upplösning och optoelektronisk detektering, etc. [1]; det mellaninfraröda bandet innehåller de karakteristiska spektrallinjerna kända som "molekylära fingeravtryck", som kan användas för hög hastighet, hög upplösning, hög spektral känslighet, det höga signal-brusförhållandet för den mellaninfraröda spektroskopimätningen [2] ; vattenmolekyler i närheten av 3um har en stark absorptionstopp så att den kan användas i många medicinska operationer; är belägen i den molekylära kovalenta bindningen av absorptionsspektralbandet, som kan användas för detektering av molekylärt innehåll och molekylär typ av identifiering, för att uppnå molekylär avbildning och så vidare.
Kommersiellt tillgängliga mellaninfraröda laserkällor inkluderar OPO parametriska oscillerande lasrar, superkontinuum spektrala ljuskällor, kvantkaskadlasrar och fiberlasrar.
Den mellaninfraröda fiberlasern, enligt förverkligandet av den mellaninfraröda fibern, kan delas in i aktiva och passiva aspekter, främst inklusive den mellaninfraröda lasern baserad på dopade sällsynta jordartsmetaller, såsom Er3 plus , Dy3 plus dopad ZBLAN fiberlaser ; mellaninfraröd laser baserad på den icke-linjära effekten, såsom Raman-lasern, laserns superkontinuumspektrum; baserad på den ihåliga optiska fibern med speciell vågledarstruktur, med de olika gaserna för att uppnå olika våglängder. Olika våglängder för den mellaninfraröda lasern. Under de senaste åren, med den kontinuerliga utvecklingen och mognad av fiberlaserteknologi, är forskningen kring den mellaninfraröda laserteknologin het, relaterade experiment och produktrapporter är oändliga, och här diskuterar vi bara den envågsbaserade mellaninfraröda fiberlasern. på att få aktiv fiber.
Er: ZBLAN fiberoptik
Eftersom ett sällsynt jordartselement har en rik energinivåstruktur, exciteras partiklarna till högre energinivåer genom marktillståndsabsorption vid pumpvåglängder på 655 nm, 790 nm och 980 nm, och 1,55 um emission kan produceras genom strålningsöverföring från 4I13/2 energinivå till 4I15/2 energinivå, och 2,8 um emission genom överföring från 4I11/2 energinivå till 4I13/2 energinivå. Partikelhoppet från 4F9/2 energinivå till 4I9/2 energinivå kan producera 3,5um emission. För närvarande är det en relativt vanlig metod att erhålla 2,8um lasring från högkoncentrationsdopade Er: ZBLAN-fibrer [4]
Fluoridfiber används för 2-3um ljuseffekt, sulfidfiber används för 3-6.5um ljuseffekt och längre våglängder än 6.5um kan matas ut med halogenidfiber. Fluorfibrer är huvudsakligen aluminiumfluorid (AlF3), ZBLAN (53 procent ZrF4-20 procent BaF2-4 procent LaF3-3 procent AlF3-20 procent NaF) eller indiumfluorid (InF3) etc. som matrismaterial av fluorid flerkomponentglasfiber. En av ZBLAN är för närvarande mer vanligt förekommande optisk fiber, sällsynt jordartsmetalldopning kan uppnås, för dess fusionsskarvningsprocess med kiselbaserad optisk fiber är relativt mogen, kommersiella optiska fiberfusionsskarvningsmaskiner kan användas, InF- och AlF-fiber kan användas används som en fiberoptisk anordning (såsom strålkombinerare) och produktion av fiberoptiska ändlock. Men lätt att fukta är den största nackdelen med fluorfiber.
2,8um mellaninfraröd kontinuerlig fiberlaser
1988 rapporterade Brierley den första 2,7um Er3 plus dopade fiberlasern[5].
År 1999 uppnådde uteffekten av Er:ZBLAN fiberlaser ett genombrott i wattskalan, och Jackson et al[6] uppnådde en lasereffekt på 1,7 W med Er3 plus / Pr3 plus samdopad ZBLAN-fiber.
Under 2000-talet, med utvecklingen av fiberberedningsteknik och fiberlaserteknik, ökades kraften hos 3um-bandslasrar ytterligare. Bland dem har Kyoto University i Japan, University of Adelaide i Australien, Laval University i Kanada och Shenzhen University i Kina i laboratoriet rapporterat mycket utmärkta experimentella framsteg.
År 2015 rapporterade Fortin et al [7] från Laval University, Kanada, en Er3 plus-dopad fluoridfiberlaser med en uteffekt på 30,5 W och en utgående våglängd på 2938 nm. Systemet använde ett fiber-Bragg-gitter baserat på intra-core-etsning, dvs. hög- och lågreflektionsgitter etsades i ZBLAN- respektive Er:ZBLAN-fibrerna för att bilda en 10 m lång resonanshålighet, och fiberänden kopplades ihop. med en AlF3-ändkapsel för att reducera utsöndringen och förbättra laserns stabilitet, med en total lasereffektivitet på 16 procent vid 980 nm pumpning.
År 2018 slutförde Aydin et al [8], Laval University, Kanada, gallretsningen inom en hel sektion av Er:ZBLAN-fibern och uppnådde en lasereffekt på 41,6 W vid 2,8 um med en kontinuerlig fiberlaser i ett dubbelpumpningsläge . Detta är den högsta kända rapporterade uteffekten för en Er:ZBLAN mellaninfraröd fiberlaser.
I 2021 rapporterade Chunyu Guo et al[10] från Shenzhen University den första 2,8um mellaninfraröda laserutgången med en helfiberstruktur med en effekt på 20W i Kina. Den Er3 plus :ZrF4-dopade fibern som används har en diameter på 15um, en numerisk öppning NA på cirka 0,12, en total längd på 6,5m, en absorptionskoefficient på 2-3dB/m@976nm och ett högreflekterande gitter (99 procent HR-FBG) och ett lågreflekterande gitter (10 procent OC-FBG) direkt inskrivet på en förstärkningsfiber, med en centrumvåglängd på 2825 nm, som bildar en resonanshålighet med Er-fibern. Som visas i Fig. ▼ Fusionsbindningsprocessen för de kiselbaserade och ZBLAN-fibrerna, såväl som smältbindningsprocessen för ändkapslarna och de passiva fibrerna, utvecklades oberoende av reporterteamet, som tillverkade de optiska kapslingsfiltren och AlF3 fiberändstycken. Den optiska-till-optiska konverteringseffektiviteten är 14,5 procent när pumpeffekten är 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]
Efter år av ansträngningar, fiber laser arbetare, kraftigt optimerad bearbetning av mid-infraröd fiber, den nuvarande användningen av kommersiell speciell fiberbearbetningsutrustning, kan du få lägre fusionsförlust, används i mitten-infraröda läge fältmatchare, combiner / splitter , utgångsändlocket och en mängd andra enheter, för att lansera helfiberstrukturen på produktnivå för den mellaninfraröda ljuskällan.
Mellaninfraröd Q-pulsad fiberlaser
I 2020 använde Sojka et al [11] en 30 W 975 nm laserpumpad 15 um kärndiameter, 7 procent molär koncentration Er:ZBLAN dubbelbeklädnad fiber för att uppnå akustooptisk Q-modulerad uteffekt från en fiber laser med en våglängd på 2,8 um vid en repetitionsfrekvens på 10 kHz, och en laserutgång med en pulsenergi på 46 uJ i en 1,1 m lång Er:ZBLAN-fiber med en puls med toppeffekt på 0,821 kW med en pulsbredd på 56 ns. 2021 använde de en Er:ZBLAN multimodfiber med en kärndiameter på 35um och en pulsbredd på 26 ns med en toppeffekt på 12,7 kW och en pulsenergi på 330 uJ [12].
I 2021, Shen et al. uppnådde den första pulsade laserutgången på 2,8um med hjälp av elektrooptisk Q-modulering. En ZBLAN-fiber med en kärndiameter på 33um dopad med Er-koncentration på 6 procent användes som förstärkningsmedium med NA 0,12, och den elektrooptiska modulatorn valdes att vara en RTP-kristall med en pulsbredd på 13,1ns pulsenergi på 205,7 uJ och en toppeffekt på 15,7 kW, vilket är den högsta toppeffekten Er:ZBLAN-modulerad Q-fiberlaser som man vet har rapporterats.
Mellaninfrarött lägeslåst ultrasnabb fiberlaser
Det finns Tm-dopade fibrer i kiselbaserade fibrer för utmatning av 2um-lasrar, och tekniken har varit relativt mogen, med högre specifikationer som uppnås en efter en när fiber- och enhetsteknologier mognar.
2018 rapporterade Jena University 1 000 W genomsnittlig effekt, 256 fs av 2um ultrasnabb laser med användning av en Tm-dopad fotonisk kristallfiber med en stor lägesfältarea, 50/250-Tm-PM-PCF. detta är det högsta värdet för liknande experiment hittills.
För våglängdsbandet över 2um antar det mesta av det nuvarande fiberlaserforskningsarbetet passiv modlåsningsteknologi, främst i form av mättbar absorption såväl som icke-linjära effekter. Den förra använder material med optiskt mättbara absorptionsegenskaper som modlåsta enheter, såsom SESAM, metalldopade kristaller såsom Fe: ZnSe, etc., medan den senare använder optiska olinjära effekter och andra medel för att generera likvärdiga mättningsbara absorbatorer, som t.ex. olinjär polarisationsrotation (NPR), olinjär optisk loopspegel (NOLM) etc.
År 2020 rapporterade Guo et al [14] att WSe2-tunna filmer odlades som SA med CVD och överfördes till guldpläterade speglar för att bilda WSe2-SAM, baserat på vilken en modlåst puls med en pulsbredd på 21 ps, en omfrekvens på 42,43 MHz och en medeleffekt på 360 mW uppnåddes med en 980 nm laser pumpad med en 6 procent molar koncentration av Er:ZBLAN-fiber.
År 2022 förberedde Qin et al [15] från Shanghai Jiaotong University InAs/GaSb supergitter SESAM med användning av molekylär strålepitaxial tillväxtteknik, som flexibelt kan justera svarsintervallet för den mättbara absorbatorn, mättnadsenergidensitet och återhämtningstid och andra parametrar, och uppnådde en stabil lägeslåst utsignal från en 3,5um Er:ZBLAN fiberlaser med en pulsbredd på 14,8 ps, en medeleffekt på 149 mW och en repetitionsfrekvens på 36,56 MHz.
Under 2019 förkortade Qin et al [16] från Shanghai Jiaotong University den modlåsta pulsbredden ytterligare till 215 fs med hjälp av Ge-stavar för dispersionshantering, med en pulsenergi på 9,3 nJ och en toppeffekt på 43,3 kW.
År 2020, Gu et al. [17] från Shanghai Jiaotong University rapporterade en soliton-puls med 131 fs-lägeslåst uteffekt, 22,68 kW toppeffekt och 3 nJ pulsenergi baserad på NPR-tekniken för en 2,8 μm Er∶ZBLAN-fiberlaser.
Samma år uppnådde Huang et al [18] en lägeslåst utgång med en pulsbredd på 126 fs och en pulsenergi på 10 nJ genom att pumpa en 3,3 m lång Er: ZBLAN-fiber vid 980 nm med hjälp av NPR-tekniken, och Er: ZBLAN-förstärkaren och ZBLAN olinjära fibern komprimerade ytterligare pulsbredden till 15,9 fs, med en slutlig topppulseffekt på 500 kW.
År 2022 förberedde Yu et al [19] en pulsad fröljuskälla med en pulsbredd på 283 fs med hjälp av en 2,4 m lång Er:ZBLAN-fiber dopad med 7 procent molär koncentration, och komprimerade ytterligare pulsbredden till 59 fs med ickelinjär förstärkning , som erhåller en pulsad medeleffekt på upp till 4,13 W, vilket är den högsta genomsnittliga uteffekten för en mod-låst fiberlaser under hundra femtosekunder hittills.
Conclusion
Mellaninfraröd fiberlaser, med fiberlaser kompakt, mindre underhåll, hög stabilitet, hög strålkvalitet och många andra fördelar, fluorid, sulfid, halogenid, ihålig fiber och andra mellaninfraröda fibrer, från kraft, spektral, fiberoptisk enhetsapplikation , och andra aspekter av utvecklingen av mid-infraröd laser har avsevärt främjat utvecklingen av mid-infraröd laser, med mid-infraröda material och fiberoptisk teknik fortsätter att mogna, kommer det att finnas fler högkvalitativa mid-infraröd fiberlaser produkter för att komma ut i det nationella försvaret, vetenskaplig forskning, industriell tillverkning, sjukvård och andra områden för att spela en större och större roll.
