Laser hồng ngoại giữa 2um-5um có các ứng dụng độc đáo của riêng nó: dải này bao phủ một số cửa sổ khí quyển, làm cho nó hữu ích cho LIDAR, thông tin liên lạc trong khí quyển, đo phạm vi laser, hiệu chuẩn máy quang phổ kế thiên văn có độ phân giải cực cao và phát hiện quang điện tử, v.v [1]; dải hồng ngoại giữa chứa các vạch phổ đặc trưng được gọi là "dấu vân tay phân tử", có thể được sử dụng cho tốc độ cao, Độ phân giải cao, độ nhạy phổ cao, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao của phép đo phổ hồng ngoại giữa [2] ; các phân tử nước ở khoảng 3um có đỉnh hấp thụ mạnh nên có thể được sử dụng trong nhiều hoạt động y tế; nằm trong liên kết cộng hóa trị phân tử của dải phổ hấp thụ, có thể được sử dụng để phát hiện hàm lượng phân tử và nhận dạng loại phân tử, để đạt được hình ảnh phân tử, v.v.
Các nguồn laze trung hồng ngoại có sẵn trên thị trường bao gồm laze dao động tham số OPO, nguồn sáng quang phổ siêu liên tục, laze tầng lượng tử và laze sợi quang.
Laser sợi quang trung hồng ngoại, theo nhận thức của sợi quang trung hồng ngoại, có thể được chia thành các khía cạnh chủ động và thụ động, chủ yếu bao gồm laser hồng ngoại trung bình dựa trên đất hiếm pha tạp, chẳng hạn như Er3 plus, Dy3 plus sợi quang ZBLAN pha tạp ; laser trung hồng ngoại dựa trên hiệu ứng phi tuyến, chẳng hạn như laser Raman, phổ siêu liên tục của laser; dựa trên sợi quang lõi rỗng với cấu trúc ống dẫn sóng đặc biệt, với các loại khí khác nhau để đạt được các bước sóng khác nhau. Các bước sóng khác nhau của laser hồng ngoại giữa. Trong những năm gần đây, với sự phát triển và trưởng thành không ngừng của công nghệ laser sợi quang, nghiên cứu về công nghệ laser trung hồng ngoại đang rất nóng, các thí nghiệm và báo cáo sản phẩm liên quan là vô tận, và ở đây chúng ta chỉ thảo luận về laser sợi quang trung hồng ngoại bước sóng đơn. on gain chất xơ hoạt tính.
Ví dụ: cáp quang ZBLAN
Er là một nguyên tố đất hiếm có cấu trúc mức năng lượng phong phú, các hạt được kích thích lên mức năng lượng cao hơn bằng cách hấp thụ trạng thái cơ bản ở bước sóng bơm 655 nm, 790 nm và 980 nm, và có thể tạo ra bức xạ 1,55 um bằng cách truyền bức xạ từ mức năng lượng 4I13/2 sang mức năng lượng 4I15/2 và phát xạ 2,8 um bằng cách chuyển từ mức năng lượng 4I11/2 sang mức năng lượng 4I13/2. Hạt nhảy từ mức năng lượng 4F9/2 lên mức năng lượng 4I9/2 có thể tạo ra phát xạ 3,5um. Hiện tại, đây là phương pháp tương đối chủ đạo để thu được phát quang 2,8um từ sợi Er:ZBLAN pha tạp nồng độ cao [4]
Sợi florua được sử dụng cho đầu ra ánh sáng 2-3um, sợi sulfua được sử dụng cho đầu ra ánh sáng 3-6.5um và có thể xuất ra bước sóng dài hơn 6,5um bằng sợi halogenua. Sợi florua chủ yếu là nhôm florua (AlF3), ZBLAN (53 phần trăm ZrF4-20 phần trăm BaF2-4 phần trăm LaF3-3 phần trăm AlF3-20 phần trăm NaF) hoặc indi florua (InF3) , vv làm vật liệu ma trận của sợi thủy tinh đa thành phần florua. Một trong những ZBLAN hiện đang được sử dụng phổ biến hơn là sợi quang, có thể đạt được pha tạp đất hiếm, vì quá trình ghép nối hợp nhất của nó với sợi quang dựa trên silicon đã tương đối trưởng thành, có thể sử dụng máy ghép nối sợi quang thương mại, có thể sử dụng sợi InF và AlF được sử dụng như một thiết bị sợi quang (chẳng hạn như bộ kết hợp chùm tia) và sản xuất đầu cáp quang. Nhưng dễ ẩm là nhược điểm chính của sợi florua.
Laser sợi quang liên tục hồng ngoại trung bình 2,8um
Năm 1988, Brierley báo cáo tia laser sợi quang pha tạp 2,7um Er3 cộng với đầu tiên [5] .
Năm 1999, công suất đầu ra của laser sợi quang Er:ZBLAN đã đạt được bước đột phá về thang watt, và Jackson và cộng sự[6] đã đạt được công suất đầu ra của laser là 1,7 W khi sử dụng sợi quang ZBLAN đồng pha tạp Er3 plus / Pr3 plus.
Trong thế kỷ 21, với sự phát triển của công nghệ chuẩn bị sợi quang và công nghệ laser sợi quang, sức mạnh của laser dải 3um đã được tăng thêm. Trong số đó, Đại học Kyoto ở Nhật Bản, Đại học Adelaide ở Úc, Đại học Laval ở Canada và Đại học Thâm Quyến ở Trung Quốc trong phòng thí nghiệm, đã báo cáo tiến độ thử nghiệm rất xuất sắc.
Vào năm 2015, Fortin và cộng sự [7] từ Đại học Laval, Canada, đã báo cáo về laser sợi quang pha tạp florua Er3 cộng với công suất đầu ra là 30,5 W và bước sóng đầu ra là 2938 nm. Hệ thống đã sử dụng cách tử Bragg sợi quang dựa trên quá trình ăn mòn bên trong lõi, nghĩa là các cách tử phản xạ cao và thấp được khắc lần lượt trong các sợi ZBLAN và Er:ZBLAN, để tạo thành một khoang cộng hưởng dài 10 m và đầu cuối sợi quang được kết nối với đầu cuối AlF3 để giảm độ mờ và cải thiện độ ổn định của laze, với tổng hiệu suất laze là 16 phần trăm khi bơm 980 nm.
Vào năm 2018, Aydin và cộng sự [8], Đại học Laval, Canada, đã hoàn thành việc khắc cách tử trong toàn bộ mặt cắt của sợi Er:ZBLAN và đạt được công suất laser 41,6 W ở 2,8 um bằng cách sử dụng laser sợi quang liên tục ở chế độ bơm kép . Đây là công suất đầu ra được báo cáo cao nhất của laser sợi quang trung hồng ngoại Er:ZBLAN.
Vào năm 2021, Chunyu Guo và cộng sự[10] từ Đại học Thâm Quyến đã báo cáo công suất phát laser giữa hồng ngoại 2,8um đầu tiên với cấu trúc hoàn toàn bằng sợi quang với công suất 20W ở Trung Quốc. Sợi pha tạp Er3 plus :ZrF4 được sử dụng có đường kính 15um, khẩu độ số NA khoảng 0,12, tổng chiều dài 6,5m, hệ số hấp thụ 2-3dB/m@976nm và cách tử phản xạ cao (99 phần trăm HR-FBG) và cách tử phản xạ thấp (10 phần trăm OC-FBG) được ghi trực tiếp trên sợi quang khuếch đại, với bước sóng trung tâm là 2825 nm, tạo thành khoang cộng hưởng với sợi Er. Như được hiển thị trong Hình. ▼ Quá trình liên kết tổng hợp của sợi dựa trên silicon và sợi ZBLAN, cũng như quá trình liên kết tổng hợp của đầu mũ và sợi thụ động, được phát triển độc lập bởi nhóm phóng viên, nhóm đã chế tạo các bộ lọc quang bao phủ và Mũ kết thúc sợi AlF3. Hiệu suất chuyển đổi từ quang sang quang là 14,5 phần trăm khi công suất bơm là 140W, khoảng 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]
Sau nhiều năm nỗ lực, các công nhân laser sợi quang, đã tối ưu hóa rất nhiều việc xử lý sợi hồng ngoại trung bình, việc sử dụng thiết bị xử lý sợi đặc biệt thương mại hiện nay, bạn có thể giảm tổn thất nhiệt hạch, được sử dụng trong bộ ghép trường, bộ kết hợp / bộ tách chế độ hồng ngoại trung bình. , nắp đầu ra và nhiều loại thiết bị khác, để khởi chạy cấu trúc toàn sợi quang cấp sản phẩm của nguồn sáng hồng ngoại trung bình.
Laser sợi quang xung hồng ngoại trung bình
Vào năm 2020, Sojka và cộng sự [11] đã sử dụng tia laser 30 W 975 nm được bơm với đường kính lõi 15 um, nồng độ phân tử 7 phần trăm sợi quang phủ kép Er:ZBLAN để đạt được đầu ra điều chế Q-quang âm của sợi quang laze ở bước sóng 2,8 um ở tần số lặp lại 10 kHz và đầu ra laze có năng lượng xung là 46 uJ trong sợi quang Er:ZBLAN dài 1,1 m với xung có công suất cực đại là 0,821 kW với một độ rộng xung 56 ns. 2021, họ đã sử dụng sợi quang đa mode Er:ZBLAN có đường kính lõi là 35um và độ rộng xung là 26 ns với công suất cực đại là 12,7 kW và năng lượng xung là 330 uJ [12].
Trong 2021, Shen et al. đã đạt được công suất laser xung đầu tiên là 2,8um bằng cách sử dụng điều biến quang điện Q. Một sợi ZBLAN có đường kính lõi là 33um được pha tạp với nồng độ Er là 6% được sử dụng làm môi trường khuếch đại với NA 0,12 và bộ điều chế quang điện được chọn là một tinh thể RTP có độ rộng xung là 13,1ns năng lượng xung là 205,7 uJ và công suất cực đại 15,7 kW, đây là laser sợi quang điều chế Er:ZBLAN có công suất cực đại cao nhất từng được báo cáo.
Laser sợi quang cực nhanh được khóa ở chế độ hồng ngoại trung bình
Có các sợi pha tạp Tm trong các sợi dựa trên silicon để tạo ra laser 2um và công nghệ này đã tương đối hoàn thiện, với các thông số kỹ thuật cao hơn từng cái một đạt được khi công nghệ sợi quang và thiết bị trưởng thành.
Vào năm 2018, Đại học Jena đã báo cáo công suất trung bình 1000 W, 256 fs của tia laser cực nhanh 2um sử dụng sợi tinh thể quang tử pha tạp Tm với diện tích trường chế độ lớn, 50/250-Tm-PM-PCF. đây là số liệu cao nhất cho các thử nghiệm tương tự cho đến nay.
Đối với dải bước sóng trên 2um, hầu hết các công trình nghiên cứu về laser sợi quang hiện nay đều áp dụng công nghệ khóa chế độ thụ động, chủ yếu ở dạng hấp thụ bão hòa cũng như hiệu ứng phi tuyến. Loại thứ nhất sử dụng vật liệu có đặc tính hấp thụ bão hòa quang học làm thiết bị khóa chế độ, chẳng hạn như SESAM, tinh thể pha tạp kim loại như Fe: ZnSe, v.v., trong khi loại thứ hai sử dụng hiệu ứng phi tuyến quang học và các phương tiện khác để tạo ra chất hấp thụ bão hòa tương đương, chẳng hạn như quay phân cực phi tuyến (NPR), gương vòng quang phi tuyến (NOLM), v.v.
Vào năm 2020, Guo và cộng sự [14] đã báo cáo rằng các màng mỏng WSe2 được phát triển thành SA bằng cách sử dụng CVD và được chuyển sang các gương mạ vàng để tạo thành WSe2-SAM, dựa trên đó một xung bị khóa chế độ có độ rộng xung là 21 ps, tần số tái tạo là 42,43 MHz và công suất trung bình là 360 mW đã đạt được bằng cách sử dụng tia laze có bước sóng 980 nm được bơm bằng sợi Er:ZBLAN có nồng độ mol 6%.
Vào năm 2022, Qin và cộng sự [15] từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã chuẩn bị SESAM siêu mạng InAs/GaSb bằng cách sử dụng kỹ thuật tăng trưởng epiticular chùm phân tử, có thể điều chỉnh linh hoạt phạm vi đáp ứng của chất hấp thụ bão hòa, mật độ năng lượng bão hòa, thời gian phục hồi và các thông số khác, và đạt được đầu ra khóa chế độ ổn định từ laser sợi quang Er:ZBLAN 3,5um với độ rộng xung 14,8 ps, công suất trung bình 149 mW và tần số lặp lại 36,56 MHz.
Vào năm 2019, Qin và cộng sự [16] từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã tiếp tục rút ngắn độ rộng xung bị khóa chế độ xuống còn 215 fs bằng cách sử dụng thanh Ge để quản lý phân tán, với năng lượng xung là 9,3 nJ và công suất cực đại là 43,3 kW.
Năm 2020, Gu et al. [17] từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã báo cáo một xung soliton với đầu ra khóa chế độ 131 fs, công suất cực đại 22,68 kW và năng lượng xung 3 nJ dựa trên kỹ thuật NPR cho laser sợi quang 2,8 μm Er∶ZBLAN.
Trong cùng năm đó, Huang và cộng sự [18] đã đạt được đầu ra khóa chế độ với độ rộng xung là 126 fs và năng lượng xung là 10 nJ bằng cách bơm sợi Er: ZBLAN dài 3,3 m ở bước sóng 980 nm bằng kỹ thuật NPR và bộ khuếch đại Er:ZBLAN và sợi quang phi tuyến ZBLAN đã nén thêm độ rộng xung xuống 15,9 fs, với công suất xung cực đại cuối cùng là 500 kW.
Vào năm 2022, Yu và cộng sự [19] đã chuẩn bị một nguồn sáng mầm xung có độ rộng xung là 283 fs bằng cách sử dụng sợi Er:ZBLAN dài 2,4 m được pha tạp với nồng độ mol 7% và tiếp tục nén độ rộng xung xuống 59 fs bằng cách sử dụng khuếch đại phi tuyến tính , thu được công suất trung bình xung lên tới 4,13 W, đây là công suất đầu ra trung bình cao nhất của laser sợi quang khóa chế độ dưới trăm femto giây cho đến nay.
Cloại trừ
Laser sợi quang trung hồng ngoại, với laser sợi quang nhỏ gọn, ít bảo trì, độ ổn định cao, chất lượng chùm tia cao và nhiều ưu điểm khác, florua, sunfua, halogenua, sợi rỗng và các sợi hồng ngoại trung bình khác, từ các ứng dụng thiết bị năng lượng, quang phổ, sợi quang , và các khía cạnh khác của sự phát triển của laser trung hồng ngoại đã thúc đẩy rất nhiều sự phát triển của laser trung hồng ngoại, với vật liệu hồng ngoại trung và công nghệ sợi quang tiếp tục phát triển, sẽ có nhiều laser sợi quang trung hồng ngoại chất lượng cao hơn các sản phẩm xuất hiện trong lĩnh vực quốc phòng, nghiên cứu khoa học, sản xuất công nghiệp, chăm sóc y tế và các lĩnh vực khác để đóng vai trò ngày càng lớn hơn.
