Der 2 µm-Laser im mittleren Infrarotbereich hat seine eigenen einzigartigen Anwendungen: Dieses Band deckt mehrere atmosphärische Fenster ab und eignet sich daher für LIDAR, atmosphärische Kommunikation, Laserentfernungsmessung, Kalibrierung von astronomischen Spektrometern mit ultrahoher Auflösung und optoelektronische Erkennung. usw. [1]; Das mittlere Infrarotband enthält die charakteristischen Spektrallinien, die als „molekulare Fingerabdrücke“ bekannt sind und für hohe Geschwindigkeit, hohe Auflösung, hohe spektrale Empfindlichkeit und das hohe Signal-Rausch-Verhältnis der Spektroskopiemessung im mittleren Infrarotbereich genutzt werden können [2] ; Wassermoleküle in der Nähe von 3 um haben einen starken Absorptionspeak, so dass sie bei vielen medizinischen Eingriffen verwendet werden können; befindet sich in der molekularen kovalenten Bindung des Absorptionsspektralbandes, das zur Erkennung des molekularen Inhalts und der molekularen Art der Identifizierung, zur Erzielung der molekularen Bildgebung usw. verwendet werden kann.
Zu den im Handel erhältlichen Mittelinfrarot-Laserquellen gehören parametrisch oszillierende OPO-Laser, Superkontinuum-Spektrallichtquellen, Quantenkaskadenlaser und Faserlaser.
Der Mittelinfrarot-Faserlaser kann entsprechend der Realisierung der Mittelinfrarot-Faser in aktive und passive Aspekte unterteilt werden, wobei hauptsächlich der Mittelinfrarot-Laser auf Basis dotierter seltener Erden, wie z. B. Er3 plus, Dy3 plus dotierter ZBLAN-Faserlaser, umfasst ; Laser im mittleren Infrarotbereich basieren auf dem nichtlinearen Effekt, wie z. B. dem Raman-Laser, dem Superkontinuumsspektrum des Lasers; Basierend auf der Hohlkern-Lichtleitfaser mit spezieller Wellenleiterstruktur, mit den verschiedenen Gasen, um unterschiedliche Wellenlängen zu erreichen. Verschiedene Wellenlängen des Mittelinfrarotlasers. In den letzten Jahren, mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Reife der Faserlasertechnologie, ist die Forschung rund um die Lasertechnologie im mittleren Infrarot auf dem Vormarsch, entsprechende Experimente und Produktberichte sind endlos, und hier diskutieren wir nur den auf einer einzelnen Wellenlänge basierenden Faserlaser im mittleren Infrarot auf Gewinn aktiver Ballaststoffe.
Er: ZBLAN-Glasfaser
Da Er als Seltenerdelement eine reichhaltige Energieniveaustruktur aufweist, werden die Partikel durch Grundzustandsabsorption bei Pumpwellenlängen von 655 nm, 790 nm und 980 nm zu höheren Energieniveaus angeregt, und durch Strahlungsübertragung kann eine Emission von 1,55 µm erzeugt werden 4I13/2-Energieniveau auf 4I15/2-Energieniveau und 2,8-um-Emission durch Übertragung vom 4I11/2-Energieniveau auf 4I13/2-Energieniveau. Der Teilchensprung vom Energieniveau 4F9/2 zum Energieniveau 4I9/2 kann eine Emission von 3,5 µm erzeugen. Derzeit ist es eine relativ gängige Methode, 2,8-um-Laser aus hochkonzentrierten Er: ZBLAN-Fasern zu erhalten [4]
Fluoridfasern werden für eine Lichtausgabe von 2-3µm verwendet, Sulfidfasern werden für eine Lichtausgabe von 3-6,5µm verwendet und längere Wellenlängen als 6,5µm können mit Halogenidfasern ausgegeben werden. Fluoridfasern bestehen hauptsächlich aus Aluminiumfluorid (AlF3), ZBLAN (53 Prozent ZrF4-20 Prozent BaF2-4 Prozent LaF3-3 Prozent AlF3-20 Prozent NaF) oder Indiumfluorid (InF3). usw. als Matrixmaterial aus Fluorid-Mehrkomponentenglasfasern. Eines der ZBLAN ist derzeit eine am häufigsten verwendete optische Faser, die mit seltenen Erden dotiert werden kann. Da der Fusionsspleißprozess mit optischen Fasern auf Siliziumbasis relativ ausgereift ist, können kommerzielle Fusionsspleißmaschinen für optische Fasern verwendet werden, InF- und AlF-Fasern können verwendet werden Verwendung als faseroptisches Gerät (z. B. Strahlvereiniger) und zur Herstellung von faseroptischen Endkappen. Der Hauptnachteil von Fluoridfasern ist jedoch die leichte Feuchtigkeitsaufnahme.
2,8 µm kontinuierlicher Faserlaser im mittleren Infrarotbereich
Im Jahr 1988 berichtete Brierley über den ersten 2,7-um-Er3-plus-dotierten Faserlaser[5].
Im Jahr 1999 gelang mit der Ausgangsleistung des Er:ZBLAN-Faserlasers ein Durchbruch auf der Wattskala, und Jackson et al.[6] erreichten eine Laserleistung von 1,7 W mit Er3 plus/Pr3 plus co-dotierter ZBLAN-Faser.
Im 21. Jahrhundert wurde mit der Entwicklung der Faservorbereitungstechnologie und der Faserlasertechnologie die Leistung von 3um-Bandlasern weiter gesteigert. Unter ihnen haben die Kyoto University in Japan, die University of Adelaide in Australien, die Laval University in Kanada und die Shenzhen University in China im Labor über sehr hervorragende experimentelle Fortschritte berichtet.
Im Jahr 2015 berichteten Fortin et al. [7] von der Laval University, Kanada, über einen mit Er3 plus dotierten Fluoridfaserlaser mit einer Ausgangsleistung von 30,5 W und einer Ausgangswellenlänge von 2938 nm. Das System verwendete ein Faser-Bragg-Gitter, das auf Intra-Core-Ätzung basierte, d. h. Gitter mit hoher und niedriger Reflexion wurden in die ZBLAN- bzw. Er:ZBLAN-Fasern geätzt, um einen 10 m langen Resonanzhohlraum zu bilden, und das Faserende wurde verbunden mit einer AlF3-Endkappe zur Reduzierung des Zerfließens und zur Verbesserung der Stabilität des Lasers, mit einer Gesamtlasereffizienz von 16 Prozent bei 980-nm-Pumpen.
Im Jahr 2018 haben Aydin et al. [8] von der Laval University, Kanada, die Gitterätzung in einem ganzen Abschnitt der Er:ZBLAN-Faser abgeschlossen und mit einem kontinuierlichen Faserlaser im Dual-Pump-Modus eine Laserleistung von 41,6 W bei 2,8 µm erreicht . Dies ist die höchste bekannte Ausgangsleistung eines Er:ZBLAN-Faserlasers im mittleren Infrarotbereich.
Im Jahr 2021 berichteten Chunyu Guo et al.[10] von der Universität Shenzhen über die erste 2,8-um-Laserleistung im mittleren Infrarotbereich mit einer Vollfaserstruktur und einer Leistung von 20 W in China. Die verwendete mit Er3 plus:ZrF4 dotierte Faser hat einen Durchmesser von 15 µm, eine numerische Apertur NA von etwa 0,12, eine Gesamtlänge von 6,5 m, einen Absorptionskoeffizienten von 2-3dB/m bei 976 nm und ein hochreflektierendes Gitter (99 Prozent HR-FBG) und ein niedrig reflektierendes Gitter (10 Prozent OC-FBG), direkt auf einer Verstärkungsfaser eingeschrieben, mit einer Mittenwellenlänge von 2825 nm, die mit der Er-Faser einen Resonanzhohlraum bildet. Wie in Abb. ▼ gezeigt, wurde der Schmelzverbindungsprozess der siliziumbasierten und ZBLAN-Fasern sowie der Schmelzverbindungsprozess der Endkappen und passiven Fasern unabhängig vom Team des Reporters entwickelt, das die optischen Mantelfilter und das herstellte Endkappen aus AlF3-Faser. Der optisch-optische Umwandlungswirkungsgrad beträgt 14,5 Prozent, wenn die Pumpleistung 140 W beträgt, also 20,3 W bei 2,8 µm.
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]
Nach jahrelangen Bemühungen haben Faserlaserarbeiter die Verarbeitung von Fasern im mittleren Infrarotbereich erheblich optimiert. Durch die derzeitige Verwendung kommerzieller spezieller Faserverarbeitungsgeräte können geringere Fusionsverluste erzielt werden, und es werden Feldmatcher und Combiner/Splitter im mittleren Infrarotmodus verwendet , die Ausgangsendkappe und eine Vielzahl anderer Geräte, um die Vollfaserstruktur der Mittelinfrarot-Lichtquelle auf Produktebene zu starten.
Q-gepulster Faserlaser im mittleren Infrarotbereich
In 2020 verwendeten Sojka et al. [11] eine 30 W 975 nm lasergepumpte Er:ZBLAN-Doppelmantelfaser mit 15 µm Kerndurchmesser und 7 Prozent molarer Konzentration, um eine akusto-optische gütemodulierte Ausgabe einer Faser zu erzielen Laser mit einer Wellenlänge von 2,8 um bei einer Wiederholfrequenz von 10 kHz und einer Laserleistung mit einer Pulsenergie von 46 uJ in einer 1,1 m langen Er:ZBLAN-Faser mit einem Puls der Spitzenleistung von 0,821 kW mit a Pulsbreite von 56 ns. 2021 verwendeten sie eine Er:ZBLAN-Multimodefaser mit einem Kerndurchmesser von 35 µm und einer Pulsbreite von 26 ns mit einer Spitzenleistung von 12,7 kW und einer Pulsenergie von 330 µJ [12].
In 2021 haben Shen et al. erreichte die erste gepulste Laserleistung von 2,8 µm mithilfe elektrooptischer Q-Modulation. Als Verstärkungsmedium mit einer NA von 0,12 wurde eine ZBLAN-Faser mit einem Kerndurchmesser von 33 µm, dotiert mit einer Er-Konzentration von 6 Prozent, verwendet, und als elektrooptischer Modulator wurde ein RTP-Kristall mit einer Impulsbreite von 13,1 ns und einer Impulsenergie von 205,7 ausgewählt uJ und eine Spitzenleistung von 15,7 kW, was der höchste bekannte Er:ZBLAN-modulierte Q-Faserlaser mit Spitzenleistung ist.
Modengekoppelter ultraschneller Faserlaser im mittleren Infrarot
Es gibt Tm-dotierte Fasern in siliziumbasierten Fasern für die Leistung von 2-um-Lasern, und die Technologie ist relativ ausgereift, wobei mit zunehmender Reife der Faser- und Gerätetechnologien nach und nach höhere Spezifikationen erreicht werden.
Im Jahr 2018 berichtete die Universität Jena über eine durchschnittliche Leistung von 1000 W und 256 fs eines ultraschnellen 2-um-Lasers unter Verwendung einer Tm-dotierten photonischen Kristallfaser mit einer großen Modenfeldfläche, 50/250-Tm-PM-PCF. Dies ist der bisher höchste Wert für ähnliche Experimente.
Für das Wellenlängenband über 2 µm nutzen die meisten aktuellen Faserlaser-Forschungsarbeiten die passive Modenkopplungstechnologie, hauptsächlich in Form von sättigbarer Absorption sowie nichtlinearen Effekten. Ersteres verwendet Materialien mit optisch sättigbaren Absorptionseigenschaften als modengekoppelte Bauelemente wie SESAM, metalldotierte Kristalle wie Fe: ZnSe usw., während letzteres optische nichtlineare Effekte und andere Mittel nutzt, um äquivalente sättigbare Absorber zu erzeugen, wie z nichtlineare Polarisationsrotation (NPR), nichtlinearer optischer Schleifenspiegel (NOLM) usw.
Im Jahr 2020 berichteten Guo et al. [14], dass WSe2-Dünnfilme mithilfe von CVD als SA gezüchtet und auf vergoldete Spiegel übertragen wurden, um WSe2-SAM zu bilden, auf dessen Grundlage ein modengekoppelter Impuls mit einer Impulsbreite von erzeugt wurde 21 ps, eine Neufrequenz von 42,43 MHz und eine durchschnittliche Leistung von 360 mW wurden mit einem 980-nm-Laser erreicht, der mit einer 6-prozentigen molaren Konzentration an Er:ZBLAN-Fasern gepumpt wurde.
Im Jahr 2022 stellten Qin et al. [15] von der Shanghai Jiaotong University mithilfe der Molekularstrahl-Epitaxie-Wachstumstechnik ein InAs/GaSb-Übergitter-SESAM her, mit dem der Ansprechbereich des sättigbaren Absorbers, die Sättigungsenergiedichte sowie die Erholungszeit und andere Parameter flexibel angepasst werden können erreichten eine stabile modengekoppelte Ausgabe eines 3,5-um-Er:ZBLAN-Faserlasers mit einer Pulsbreite von 14,8 ps, einer durchschnittlichen Leistung von 149 mW und einer Wiederholungsfrequenz von 36,56 MHz.
Im Jahr 2019 verkürzten Qin et al. [16] von der Shanghai Jiaotong University die modengekoppelte Pulsbreite mithilfe von Ge-Stäben für das Dispersionsmanagement weiter auf 215 fs, mit einer Pulsenergie von 9,3 nJ und einer Spitzenleistung von 43,3 kW.
Im Jahr 2020 haben Gu et al. [17] von der Shanghai Jiaotong University berichteten über einen Solitonenpuls mit 131 fs modengekoppelter Leistung, 22,68 kW Spitzenleistung und 3 nJ Pulsenergie basierend auf der NPR-Technik für einen 2,8 μm Er∶ZBLAN-Faserlaser.
Im selben Jahr erreichten Huang et al. [18] einen modengekoppelten Ausgang mit einer Pulsbreite von 126 fs und einer Pulsenergie von 10 nJ, indem sie eine 3,3 m lange Er:ZBLAN-Faser bei 980 nm unter Verwendung der NPR-Technik pumpten, und Der Er: ZBLAN-Verstärker und die nichtlineare ZBLAN-Faser komprimierten die Impulsbreite weiter auf 15,9 fs, mit einer endgültigen Spitzenimpulsleistung von 500 kW.
Im Jahr 2022 stellten Yu et al. [19] eine gepulste Seed-Lichtquelle mit einer Pulsbreite von 283 fs unter Verwendung einer 2,4 m langen Er:ZBLAN-Faser her, die mit einer molaren Konzentration von 7 Prozent dotiert war, und komprimierten die Pulsbreite mithilfe nichtlinearer Verstärkung weiter auf 59 fs , wodurch eine gepulste Durchschnittsleistung von bis zu 4,13 W erreicht wird, was die bisher höchste durchschnittliche Ausgangsleistung eines modengekoppelten Faserlasers im Sub-100-Femtosekundenbereich darstellt.
CEinschluss
Faserlaser im mittleren Infrarotbereich mit kompaktem Faserlaser, geringerem Wartungsaufwand, hoher Stabilität, hoher Strahlqualität und vielen anderen Vorteilen, Fluorid-, Sulfid-, Halogenid-, Hohlfaser- und anderen Fasern im mittleren Infrarotbereich aus den Bereichen Leistung, Spektral- und Glasfasergeräteanwendungen , und andere Aspekte der Entwicklung von Lasern im mittleren Infrarotbereich haben die Entwicklung von Lasern im mittleren Infrarotbereich erheblich vorangetrieben. Da die Materialien für den mittleren Infrarotbereich und die Faseroptiktechnologie weiter ausgereift sind, wird es mehr qualitativ hochwertige Faserlaser im mittleren Infrarotbereich geben Produkte sollen in der Landesverteidigung, der wissenschaftlichen Forschung, der industriellen Fertigung, der medizinischen Versorgung und anderen Bereichen eine immer größere Rolle spielen.
