O laser infravermelho médio de 2um-5um tem suas próprias aplicações exclusivas: esta banda cobre várias janelas atmosféricas, tornando-o útil para LIDAR, comunicações atmosféricas, alcance de laser, calibração de espectrômetros astronômicos de resolução ultra-alta e detecção optoeletrônica, etc. [1]; a banda do infravermelho médio contém as linhas espectrais características conhecidas como "impressões digitais moleculares", que podem ser usadas para alta velocidade, alta resolução, alta sensibilidade espectral, alta relação sinal-ruído da medição de espectroscopia de infravermelho médio [2] ; as moléculas de água nas proximidades de 3um têm um forte pico de absorção, de modo que podem ser usadas em muitas operações médicas; está localizado na ligação covalente molecular da banda espectral de absorção, que pode ser usada para a detecção de conteúdo molecular e tipo molecular de identificação, para alcançar a imagem molecular e assim por diante.
As fontes de laser de infravermelho médio disponíveis comercialmente incluem lasers oscilantes paramétricos OPO, fontes de luz espectrais supercontínuas, lasers de cascata quântica e lasers de fibra.
O laser de fibra de infravermelho médio, de acordo com a realização da fibra de infravermelho médio, pode ser dividido em aspectos ativos e passivos, incluindo principalmente o laser de infravermelho médio baseado em terras raras dopadas, como Er3 plus, Dy3 mais laser de fibra ZBLAN dopado ; laser infravermelho médio baseado no efeito não linear, como o laser Raman, o espectro supercontínuo do laser; baseado na fibra óptica de núcleo oco com estrutura de guia de onda especial, com os diferentes gases para atingir diferentes comprimentos de onda. Diferentes comprimentos de onda do laser infravermelho médio. Nos últimos anos, com o desenvolvimento contínuo e a maturidade da tecnologia de laser de fibra, a pesquisa em torno da tecnologia de laser infravermelho médio é quente, experimentos relacionados e relatórios de produtos são infinitos, e aqui discutimos apenas o laser de fibra infravermelho médio de comprimento de onda único baseado no ganho de fibra ativa.
Er: fibra óptica ZBLAN
Er como um elemento de terra rara tem uma estrutura de nível de energia rica, as partículas são excitadas para níveis de energia mais altos por absorção do estado fundamental em comprimentos de onda de bomba de 655 nm, 790 nm e 980 nm, e emissão de 1,55 um pode ser produzida por transferência radiativa de nível de energia 4I13/2 para o nível de energia 4I15/2 e emissão de 2,8 um pela transferência do nível de energia 4I11/2 para o nível de energia 4I13/2. O salto da partícula do nível de energia 4F9/2 para o nível de energia 4I9/2 pode produzir uma emissão de 3,5um. Atualmente, é um método relativamente popular para obter laser de 2,8um a partir de fibras Er: ZBLAN dopadas de alta concentração [4]
Fibra de flúor é usada para saída de luz 2-3um, fibra de sulfeto é usada para saída de luz de 3-6.5um e comprimentos de onda maiores que 6,5um podem ser produzidos com fibra haleto. A fibra de flúor é principalmente fluoreto de alumínio (AlF3), ZBLAN (53 por cento ZrF4-20 por cento BaF2-4 por cento LaF3-3 por cento AlF3-20 por cento NaF) ou fluoreto de índio (InF3) , etc. como o material de matriz de fibra de vidro multicomponente de flúor. Um dos ZBLAN é atualmente fibra óptica mais comumente usada, doping de terras raras pode ser alcançado, pois seu processo de emenda de fusão com fibra óptica à base de silício é relativamente maduro, máquinas de emenda de fusão de fibra óptica comerciais podem ser usadas, fibra InF e AlF podem ser usado como um dispositivo de fibra ótica (como combinador de feixe) e a produção de tampas de extremidade de fibra ótica. Mas fácil de umidade é a principal desvantagem da fibra de flúor.
Laser de fibra contínua de infravermelho médio de 2,8um
Em 1988, Brierley relatou o primeiro laser de fibra dopada de 2,7um Er3 mais [5] .
Em 1999, a potência de saída do laser de fibra Er:ZBLAN alcançou um avanço na escala de watts, e Jackson et al[6] alcançaram uma saída de laser de 1,7 W usando fibra ZBLAN co-dopada Er3 plus / Pr3 plus.
No século 21, com o desenvolvimento da tecnologia de preparação de fibra e da tecnologia de laser de fibra, a potência dos lasers de banda de 3um aumentou ainda mais. Entre eles, a Universidade de Kyoto no Japão, a Universidade de Adelaide na Austrália, a Universidade Laval no Canadá e a Universidade de Shenzhen na China em laboratório, relataram progressos experimentais excelentes.
Em 2015, Fortin et al [7] da Laval University, Canadá, relataram um laser de fibra de flúor dopado Er3 plus com uma potência de saída de 30,5 W e um comprimento de onda de saída de 2938 nm. O sistema utilizou uma rede de Bragg de fibra baseada em corrosão intra-núcleo, ou seja, grades de alta e baixa reflexão foram gravadas nas fibras ZBLAN e Er:ZBLAN, respectivamente, para formar uma cavidade ressonante de 10 m de comprimento, e a extremidade da cauda da fibra foi conectada com um endcap AlF3 para reduzir a deliquescência e melhorar a estabilidade do laser, com uma eficiência total do laser de 16 por cento a 980 nm de bombeamento.
Em 2018, Aydin et al [8], Laval University, Canadá, concluiu a gravação de grade em uma seção inteira da fibra Er:ZBLAN e alcançou uma saída de laser de 41,6 W a 2,8 um usando um laser de fibra contínua em um modo de bombeamento duplo . Esta é a potência de saída mais alta conhecida de um laser de fibra de infravermelho médio Er:ZBLAN.
Em 2021, Chunyu Guo et al[10] da Universidade de Shenzhen relataram a primeira saída de laser infravermelho médio de 2,8um com uma estrutura totalmente em fibra a uma potência de 20 W na China. A fibra dopada Er3 plus :ZrF4 usada tem um diâmetro de 15um, uma abertura numérica NA de cerca de 0,12, um comprimento total de 6,5m, um coeficiente de absorção de 2-3dB/m@976nm e uma grade de alta reflexão (99% HR-FBG) e uma grade de baixa reflexão (10% OC-FBG) inscrita diretamente em uma fibra de ganho, com um comprimento de onda central de 2825 nm, que forma uma cavidade de ressonância com a fibra Er. Como mostrado na Fig. ▼ O processo de ligação por fusão das fibras à base de silício e ZBLAN, bem como o processo de ligação por fusão das tampas de extremidade e fibras passivas, foi desenvolvido independentemente pela equipe do repórter, que fabricou os filtros ópticos de revestimento e o Terminais de fibra AlF3. A eficiência da conversão óptica para óptica é de 14,5 por cento quando a potência da bomba é de 140 W, aproximadamente 20,3 W a 2,8 um.
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]
Após anos de esforços, trabalhadores de laser de fibra, otimizaram bastante o processamento de fibra infravermelha média, o uso atual de equipamentos de processamento de fibra especiais comerciais, você pode obter menor perda de fusão, é usado no combinador de campo de modo infravermelho médio, combinador/divisor , a tampa final de saída e uma variedade de outros dispositivos, de modo a lançar a estrutura totalmente em fibra de nível de produto da fonte de luz infravermelha média.
Laser de fibra Q-pulsado de infravermelho médio
Em 2020, Sojka et al [11] usaram um laser de 30 W 975 nm bombeado com 15 um de diâmetro de núcleo, 7 por cento de concentração molar Er:ZBLAN fibra de revestimento duplo para obter saída modulada Q acústica de uma fibra laser em um comprimento de onda de 2,8 um em uma frequência de repetição de 10 kHz e uma saída de laser com uma energia de pulso de 46 uJ em uma fibra Er:ZBLAN de 1,1 m de comprimento com um pulso de potência de pico de 0,821 kW com um largura de pulso de 56 ns. 2021, eles usaram uma fibra multimodo Er:ZBLAN com um diâmetro de núcleo de 35um e uma largura de pulso de 26 ns com uma potência de pico de 12,7 kW e uma energia de pulso de 330 uJ [12].
Em 2021, Shen et al. alcançou a primeira saída de laser pulsado de 2,8um usando modulação Q eletro-óptica. Uma fibra ZBLAN com um diâmetro de núcleo de 33um dopado com concentração de Er de 6 por cento foi usada como meio de ganho com NA 0,12, e o modulador eletro-óptico foi selecionado para ser um cristal RTP com uma largura de pulso de 13,1 ns de energia de pulso de 205,7 uJ e uma potência de pico de 15,7kW, que é o laser de fibra Q modulado Er:ZBLAN de maior potência conhecido já relatado.
Laser de fibra ultrarrápido bloqueado no modo de infravermelho médio
Existem fibras dopadas com Tm em fibras à base de silício para a saída de lasers de 2um, e a tecnologia tem sido relativamente madura, com especificações mais altas sendo alcançadas uma a uma à medida que as tecnologias de fibra e dispositivo amadurecem.
Em 2018, a Universidade de Jena relatou 1.000 W de potência média, 256 fs de laser ultrarrápido de 2um utilizando uma fibra de cristal fotônico dopada com Tm com uma grande área de campo de modo, 50/250-Tm-PM-PCF. esta é a métrica mais alta para experimentos semelhantes até agora.
Para a banda de comprimento de onda acima de 2um, a maior parte do trabalho atual de pesquisa de laser de fibra adota a tecnologia de bloqueio de modo passivo, principalmente na forma de absorção saturável, bem como efeitos não lineares. O primeiro usa materiais com propriedades de absorção opticamente saturáveis como dispositivos de bloqueio de modo, como SESAM, cristais dopados com metal, como Fe: ZnSe, etc., enquanto o último utiliza efeitos ópticos não lineares e outros meios para gerar absorvedores saturáveis equivalentes, como rotação de polarização não linear (NPR), espelho de loop óptico não linear (NOLM), etc.
Em 2020, Guo et al [14] relataram que filmes finos de WSe2 foram cultivados como SA usando CVD e transferidos para espelhos banhados a ouro para formar WSe2-SAM, com base no qual um pulso de modo bloqueado com uma largura de pulso de 21 ps, uma refrequência de 42,43 MHz e uma potência média de 360 mW foi obtida usando um laser de 980 nm bombeado com uma concentração molar de 6% de fibra Er:ZBLAN.
Em 2022, Qin et al [15] da Shanghai Jiaotong University preparou a superrede InAs/GaSb SESAM usando a técnica de crescimento epitaxial de feixe molecular, que pode ajustar de forma flexível a faixa de resposta do absorvedor saturável, densidade de energia de saturação e tempo de recuperação e outros parâmetros, e alcançou uma saída estável de modo bloqueado de um laser de fibra Er:ZBLAN de 3,5um com uma largura de pulso de 14,8 ps, uma potência média de 149 mW e uma frequência de repetição de 36,56 MHz.
Em 2019, Qin et al [16] da Shanghai Jiaotong University encurtou ainda mais a largura de pulso de modo bloqueado para 215 fs usando hastes Ge para gerenciamento de dispersão, com uma energia de pulso de 9,3 nJ e uma potência de pico de 43,3 kW.
Em 2020, Gu et al. [17] da Shanghai Jiaotong University relataram um pulso soliton com saída de modo bloqueado de 131 fs, potência de pico de 22,68 kW e energia de pulso de 3 nJ com base na técnica NPR para um laser de fibra Er∶ZBLAN de 2,8 μm.
No mesmo ano, Huang et al [18] alcançaram uma saída de modo bloqueado com uma largura de pulso de 126 fs e uma energia de pulso de 10 nJ bombeando uma fibra Er: ZBLAN de 3,3 m de comprimento a 980 nm usando a técnica NPR, e o amplificador Er: ZBLAN e a fibra não linear ZBLAN comprimiram ainda mais a largura de pulso para 15,9 fs, com uma potência de pulso de pico final de 500 kW.
Em 2022, Yu et al [19] preparou uma fonte de luz de semente pulsada com uma largura de pulso de 283 fs usando uma fibra Er:ZBLAN de 2,4 m de comprimento dopada com concentração molar de 7% e comprimiu ainda mais a largura de pulso para 59 fs usando amplificação não linear , obtendo uma potência média pulsada de até 4,13 W, que é a maior potência média de saída de um laser de fibra de modo bloqueado de sub-cem femtossegundos até o momento.
Cconclusão
Laser de fibra de infravermelho médio, com laser de fibra compacto, menos manutenção, alta estabilidade, alta qualidade de feixe e muitas outras vantagens, flúor, sulfeto, haleto, fibra oca e outras fibras de infravermelho médio, desde aplicações de dispositivos de energia, espectrais e de fibra óptica , e outros aspectos do desenvolvimento do laser de infravermelho médio promoveram muito o desenvolvimento do laser de infravermelho médio, com os materiais de infravermelho médio e a tecnologia de fibra óptica continua a amadurecer, haverá mais laser de fibra de infravermelho médio de alta qualidade produtos para sair em defesa nacional, pesquisa científica, fabricação industrial, assistência médica e outros campos para desempenhar um papel cada vez maior.
