ניתוח מעמיק של טכנולוגיית לייזר סיב אינפרא אדום בינוני ויישומים

ללייזר 2um-5um אמצע אינפרא אדום יש יישומים ייחודיים משלו: פס זה מכסה מספר חלונות אטמוספריים, מה שהופך אותו לשימושי עבור LIDAR, תקשורת אטמוספרית, טווח לייזר, כיול של ספקטרומטרים אסטרונומיים ברזולוציה גבוהה במיוחד וזיהוי אופטו-אלקטרוני, וכו' [1]; הרצועה האמצעית אינפרא אדום מכילה את הקווים הספקטרליים האופייניים המכונים "טביעות אצבע מולקולריות", שיכולות לשמש למהירות גבוהה, ברזולוציה גבוהה, רגישות ספקטרלית גבוהה, יחס האות לרעש הגבוה של מדידת הספקטרוסקופיה האמצעית [2] ; למולקולות מים בסביבת 3um יש שיא ספיגה חזק כך שניתן להשתמש בו בפעולות רפואיות רבות; ממוקם בקשר קוולנטי מולקולרי של פס ספקטרלי הספיגה, אשר יכול לשמש לזיהוי של תוכן מולקולרי וסוג מולקולרי של זיהוי, כדי להשיג את ההדמיה המולקולרית וכן הלאה.

מקורות לייזר אמצע אינפרא אדום זמינים מסחריים כוללים לייזרים פרמטריים מתנדנדים OPO, מקורות אור ספקטרליים סופר-רציפים, לייזר מפל קוונטי ולייזרי סיבים.

לייזר סיב אינפרא אדום בינוני, על פי מימוש סיב האינפרא אדום ניתן לחלק להיבטים אקטיביים ופסיביים, בעיקר כולל לייזר אינפרא אדום בינוני המבוסס על אדמה נדירה מסוממת, כגון Er3 plus , Dy3 פלוס לייזר סיבי ZBLAN מסוממים ; לייזר אינפרא אדום בינוני המבוסס על האפקט הלא ליניארי, כגון לייזר Raman, ספקטרום העל-רציף של הלייזר; מבוסס על סיב אופטי חלול הליבה עם מבנה מוליך גל מיוחד, עם הגזים השונים כדי להשיג אורכי גל שונים. אורכי גל שונים של לייזר אינפרא אדום בינוני. בשנים האחרונות, עם הפיתוח והבשלות המתמשכת של טכנולוגיית לייזר סיבים, המחקר סביב טכנולוגיית הלייזר האמצע אינפרא אדום הוא חם, ניסויים קשורים ודוחות מוצרים הם אינסופיים, וכאן נדון רק בלייזר סיב אמצע אינפרא אדום באורך גל בודד על צבירת סיבים פעילים.

Er: ZBLAN סיבים אופטיים

Er כיסוד אדמה נדיר בעל מבנה רמת אנרגיה עשיר, החלקיקים נרגשים לרמות אנרגיה גבוהות יותר על ידי ספיגת מצב הקרקע באורכי גל משאבה של 655 ננומטר, 790 ננומטר ו-980 ננומטר, וניתן לייצר פליטת 1.55 אום על ידי העברה קרינה מ רמת אנרגיה 4I13/2 לרמת אנרגיה 4I15/2, ופליטת 2.8 אום על ידי העברה מרמת אנרגיה 4I11/2 לרמת אנרגיה 4I13/2. קפיצת החלקיקים מרמת אנרגיה 4F9/2 לרמת אנרגיה 4I9/2 יכולה לייצר פליטת 3.5um. נכון לעכשיו, זוהי שיטה מיינסטרים יחסית להשיג 2.8um לייזר מסיבי Er: ZBLAN מסוממים בריכוז גבוה [4]

סיבי פלואוריד משמשים לתפוקת אור 2-3um, סיבי גופרית משמשים לתפוקת אור 3-6.5um, וניתן להפיק אורכי גל ארוכים יותר מ-6.5um עם סיבי הליד. סיבי פלואוריד הם בעיקר אלומיניום פלואוריד (AlF3), ZBLAN (53 אחוז ZrF4-20 אחוז BaF2-4 אחוז LaF3-3 אחוז AlF3-20 אחוז NaF) או אינדיום פלואוריד (InF3) וכו' כחומר המטריצה ​​של סיבי זכוכית מרובי רכיבים של פלואוריד. אחד מה-ZBLAN הוא כיום סיב אופטי נפוץ יותר, ניתן להשיג סימום של אדמה נדירה, מכיוון שתהליך השחבור שלו עם סיבים אופטיים מבוססי סיליקון בוגר יחסית, ניתן להשתמש במכונות חיבור מסחריות של סיבים אופטיים, ניתן להשתמש בסיבים InF ו-AlF משמש כמכשיר סיבים אופטיים (כגון משלב אלומות) וייצור פקקים של סיבים אופטיים. אבל קל ללחות הוא החיסרון העיקרי של סיבי פלואוריד.

לייזר סיב רציף 2.8um אמצע אינפרא אדום

בשנת 1988, Brierley דיווח על הלייזר הראשון של 2.7um Er3 פלוס סיבים מסוממים[5].

בשנת 1999, הספק המוצא של לייזר סיבי Er:ZBLAN השיג פריצת דרך בסולם הוואטים, וג'קסון וחב' [6] השיגו תפוקת לייזר של 1.7 W באמצעות סיב ZBLAN משומם בשיתוף Er3 plus / Pr3 plus.

במאה ה-21, עם התפתחות טכנולוגיית הכנת הסיבים וטכנולוגיית לייזר סיבים, הוגבר עוד יותר כוחם של לייזרים 3um-band. ביניהם, אוניברסיטת קיוטו ביפן, אוניברסיטת אדלייד באוסטרליה, אוניברסיטת לאוואל בקנדה ואוניברסיטת שנזן בסין במעבדה, דיווחו על התקדמות ניסויית מצוינת מאוד.

בשנת 2015, Fortin וחב' [7] מאוניברסיטת Laval, קנדה, דיווחו על לייזר סיבי פלואוריד מסומם Er3 פלוס עם הספק פלט של 30.5 W ואורך גל פלט של 2938 ננומטר. המערכת השתמשה בסריג סיב Bragg המבוסס על תחריט תוך הליבה, כלומר, רשתות השתקפות גבוהות ונמוכות נחרטו בסיבי ZBLAN ו-Er:ZBLAN, בהתאמה, ליצירת חלל תהודה באורך 10 מ', וקצה קצה הסיב חובר עם מכסה קצה AlF3 להפחתת הדליקות ולשיפור יציבות הלייזר, עם יעילות לייזר כוללת של 16 אחוז בשאיבה של 980 ננומטר.

בשנת 2018, Aydin et al [8], אוניברסיטת Laval, קנדה, השלימו תחריט סריג בתוך קטע שלם של סיב Er:ZBLAN, והשיגו תפוקת לייזר של 41.6 W ב-2.8 אום באמצעות לייזר סיבים רציפים במצב שאיבה כפולה. . זהו כוח הפלט הידוע הגבוה ביותר של לייזר סיב אינפרא אדום Er:ZBLAN.

ב-2021, Chunyu Guo וחב'[10] מאוניברסיטת שנזן דיווחו על פלט הלייזר האמצעי-אינפרא אדום הראשון של 2.8um עם מבנה שכולו סיבים בהספק של 20W בסין. לסיב המסומם Er3 plus :ZrF4 בשימוש יש קוטר של 15um, צמצם מספרי NA של כ-0.12, אורך כולל של 6.5 מ', מקדם ספיגה של 2-3dB/m@976nm ורשת בעלת רפלקציה גבוהה. (99 אחוז HR-FBG) ורשת בעלת רפלקציה נמוכה (10 אחוז OC-FBG) כתובה ישירות על סיב רווח, עם אורך גל מרכזי של 2825 ננומטר, היוצר חלל תהודה עם סיב Er. כפי שמוצג באיור ▼ תהליך חיבור ההיתוך של סיבים מבוססי סיליקון ו-ZBLAN, כמו גם תהליך חיבור ההיתוך של פקקי הקצה והסיבים הפסיביים, פותח באופן עצמאי על ידי צוות הכתב, שיצר את המסננים האופטיים החיפויים מכסי סיבים מסוג AlF3. יעילות ההמרה האופטית לאופטית היא 14.5 אחוזים כאשר הספק המשאבה הוא 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]

לאחר שנים של מאמצים, עובדי לייזר סיבים, ייעלו מאוד את העיבוד של סיבים אינפרא-אדומים בינוניים, השימוש הנוכחי בציוד מסחרי מיוחד לעיבוד סיבים, אתה יכול לקבל אובדן היתוך נמוך יותר, משמש בתאמת שדה, משלב/מפצל במצב אינפרא אדום. , מכסה הקצה של הפלט ומגוון מכשירים אחרים, כדי להשיק את מבנה כל הסיבים ברמת המוצר של מקור האור הבינוני אינפרא אדום.

לייזר סיבי Q-pulsed אינפרא אדום בינוני

ב-2020, Sojka וחב' [11] השתמשו בלייזר 30 W 975 ננומטר שאוב בקוטר ליבה של 15 אום, ריכוז טוחן של 7 אחוזים Er:ZBLAN סיב חיפוי כפול כדי להשיג פלט אקוסטו-אופטי מאופנן Q של סיב לייזר באורך גל של 2.8 אום בתדר חזרות של 10 קילו-הרץ, ופלט לייזר עם אנרגיית פולס של 46 uJ בסיב Er:ZBLAN באורך 1. 1 מטר עם דופק של הספק שיא של 0. 821 קילוואט עם א. רוחב דופק של 56 ns. בשנת 2021, הם השתמשו בסיב רב-מודד Er:ZBLAN עם קוטר ליבה של 35um ורוחב פולסים של 26 ns עם הספק שיא של 12.7 קילוואט ואנרגיית פולסים של 330 uJ [12].

ב-2021, Shen et al. השיג את פלט הלייזר הדופק הראשון של 2.8um באמצעות אפנון Q אלקטרו-אופטי. סיב ZBLAN עם קוטר ליבה של 33um מסומם עם ריכוז Er של 6 אחוזים שימש כמדיום ההגברה עם NA 0.12, והמאפנן האלקטרו-אופטי נבחר להיות גביש RTP עם רוחב פולס של 13.1ns אנרגית פולסים של 205.7 uJ והספק שיא של 15.7kW, שהוא שיא הספק הגבוה ביותר של סיבי ה-Q Er:ZBLAN שדווח עליו.

לייזר סיבים מהיר במיוחד עם מצב אינפרא אדום נעול במצב אינפרא אדום

ישנם סיבים מסוממים Tm בסיבים מבוססי סיליקון לתפוקת לייזרים 2um, והטכנולוגיה הייתה בוגרת יחסית, כאשר מפרטים גבוהים יותר הושגו אחד אחד ככל שטכנולוגיות הסיבים והמכשירים מתבגרים.

בשנת 2018, אוניברסיטת ג'נה דיווחה על הספק ממוצע של 1000 וואט, 256 fs של לייזר אולטרה-מהיר של 2um תוך שימוש בסיב גביש פוטוני מסומם Tm עם שטח שדה מצב גדול, 50/250-Tm-PM-PCF. זהו המדד הגבוה ביותר לניסויים דומים עד כה.

עבור פס אורך הגל מעל 2um, רוב עבודת המחקר הנוכחית של לייזר סיבים מאמצת טכנולוגיית נעילת מצב פסיבית, בעיקר בצורה של ספיגה ברוויה כמו גם אפקטים לא ליניאריים. הראשון משתמש בחומרים בעלי תכונות ספיגה הניתנות לרוויה אופטית כמכשירים נעולים במצב, כגון SESAM, גבישים מסוממים במתכת כגון Fe: ZnSe וכו', בעוד שהאחרון משתמש באפקטים לא ליניאריים אופטיים ואמצעים אחרים כדי ליצור סופגים ניתנים לרוויה שווה ערך, כגון סיבוב קיטוב לא ליניארי (NPR), מראה לולאה אופטית לא ליניארית (NOLM) וכו'.

בשנת 2020, Guo וחב' [14] דיווחו שסרטים דקים WSe2 גודלו כ-SA באמצעות CVD והועברו למראות מצופות זהב כדי ליצור WSe2-SAM, המבוסס על פעימה נעילת מצב עם רוחב פולס של 21 ps, תדר חוזר של 42. 43 מגה-הרץ והספק ממוצע של 360 mW הושגו באמצעות לייזר 980 ננומטר שאוב עם ריכוז מולארי של 6 אחוזים של סיב Er:ZBLAN.

בשנת 2022, Qin וחב' [15] מאוניברסיטת שנגחאי Jiaotong הכינו InAs/GaSb סריג-על SESAM באמצעות טכניקת גידול אפיטקסיאלית של קרן מולקולרית, שיכולה להתאים בצורה גמישה את טווח התגובה של הבולם הרווי, צפיפות אנרגיית הרוויה וזמן ההתאוששות ופרמטרים אחרים, וכן השיג פלט נעול מצב יציב מלייזר סיב 3.5um Er:ZBLAN עם רוחב פולסים של 14.8 ps, הספק ממוצע של 149 mW ותדירות חזרות של 36.56 מגה-הרץ.

בשנת 2019, Qin וחב' [16] מאוניברסיטת Shanghai Jiaotong קיצרו עוד יותר את רוחב הפולס הנעול ל-215 fs באמצעות מוטות Ge לניהול פיזור, עם אנרגיית פולסים של 9.3 nJ והספק שיא של 43.3 קילוואט.

בשנת 2020, Gu et al. [17] מאוניברסיטת שנחאי ג'יאוטונג דיווחה על דופק סוליטון עם תפוקה נעולה במצב 131 fs, הספק שיא של 22.68 קילוואט ואנרגיית פולסים של 3 nJ המבוססת על טכניקת NPR עבור לייזר סיב Er∶ZBLAN של 2.8 מיקרומטר.

באותה שנה, Huang et al [18] השיגו פלט נעול מצב עם רוחב פולס של 126 fs ואנרגיית פולס של 10 nJ על ידי שאיבת סיב Er: ZBLAN באורך 3.3 מ' ב-980 ננומטר באמצעות טכניקת NPR, וכן מגבר ה-Er: ZBLAN והסיב הלא ליניארי של ZBLAN דחיצו עוד יותר את רוחב הפולסים ל-15.9 fs, עם הספק שיא סופי של הפולס של 500 קילוואט.

בשנת 2022, Yu et al [19] הכינו מקור אור זרע פועם ברוחב פולס של 283 fs באמצעות סיב Er:ZBLAN באורך 2.4 מ' המסומם בריכוז טוחנת של 7 אחוזים, ועוד דחוס את רוחב הדופק ל-59 fs באמצעות הגברה לא ליניארית , השגת הספק ממוצע פועם של עד 4.13 וואט, שהוא הספק המוצא הממוצע הגבוה ביותר של לייזר סיב ננעל במצב של תת-מאה פמט שניות עד כה.

Cהכלל

לייזר סיב אינפרא אדום בינוני, עם סיב לייזר קומפקטי, פחות תחזוקה, יציבות גבוהה, איכות קרן גבוהה ויתרונות רבים אחרים, פלואוריד, גופרתי, הליד, סיבים חלולים וסיבים אמצע אינפרא אדום אחרים, מיישומי הספק, ספקטרלים, סיבים אופטיים , והיבטים אחרים של הפיתוח של לייזר אינפרא אדום בינוני קידם מאוד את הפיתוח של לייזר אמצע אינפרא אדום, כאשר החומרים האמצעיים אינפרא אדום וטכנולוגיית הסיבים האופטיים ממשיכה להבשיל, יהיה יותר לייזר סיב אמצע אינפרא אדום באיכות גבוהה מוצרים שייצאו בהגנה לאומית, מחקר מדעי, ייצור תעשייתי, טיפול רפואי ותחומים אחרים כדי לשחק תפקיד גדול יותר ויותר.