Laser inframerah menengah 2um-5um memiliki aplikasi uniknya sendiri: pita ini mencakup beberapa jendela atmosfer, membuatnya berguna untuk LIDAR, komunikasi atmosfer, jangkauan laser, kalibrasi spektrometer astronomi beresolusi sangat tinggi, dan deteksi optoelektronik, dll [1]; pita inframerah-tengah berisi garis spektral karakteristik yang dikenal sebagai "sidik jari molekuler", yang dapat digunakan untuk kecepatan tinggi, resolusi tinggi, sensitivitas spektral tinggi, rasio signal-to-noise yang tinggi dari pengukuran spektroskopi mid-infrared [2] ; molekul air di sekitar 3um memiliki puncak serapan yang kuat sehingga dapat digunakan dalam banyak operasi medis; terletak di ikatan kovalen molekuler dari pita spektral serapan, yang dapat digunakan untuk mendeteksi konten molekuler dan jenis identifikasi molekuler, untuk mencapai pencitraan molekuler dan sebagainya.
Sumber laser inframerah menengah yang tersedia secara komersial meliputi laser berosilasi parametrik OPO, sumber cahaya spektral superkontinum, laser kaskade kuantum, dan laser serat.
Serat laser mid-infrared, sesuai dengan realisasi serat mid-infrared dapat dibagi menjadi aspek aktif dan pasif, terutama termasuk laser mid-inframerah berdasarkan tanah jarang yang didoping, seperti Er3 plus, Dy3 plus doped ZBLAN serat laser ; laser inframerah menengah berdasarkan efek nonlinier, seperti laser Raman, spektrum laser kontinum super; berdasarkan serat optik berongga-inti dengan struktur pandu gelombang khusus, dengan gas yang berbeda untuk mencapai panjang gelombang yang berbeda. Panjang gelombang berbeda dari laser inframerah-menengah. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan berkelanjutan dan kematangan teknologi laser serat, penelitian seputar teknologi laser inframerah-menengah sedang panas, eksperimen terkait dan laporan produk tidak ada habisnya, dan di sini kita hanya membahas panjang gelombang tunggal berbasis laser serat inframerah-tengah pada mendapatkan serat aktif.
Er: serat optik ZBLAN
Er sebagai unsur tanah jarang memiliki struktur tingkat energi yang kaya, partikel tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan penyerapan keadaan dasar pada panjang gelombang pompa 655 nm, 790 nm, dan 980 nm, dan emisi 1,55 um dapat dihasilkan oleh transfer radiasi dari Tingkat energi 4I13/2 ke tingkat energi 4I15/2, dan emisi 2,8 um dengan mentransfer dari tingkat energi 4I11/2 ke tingkat energi 4I13/2. Lompatan partikel dari tingkat energi 4F9/2 ke tingkat energi 4I9/2 dapat menghasilkan emisi 3,5um. Saat ini, ini adalah metode yang relatif utama untuk mendapatkan penguat 2,8um dari serat Er: ZBLAN yang didoping dengan konsentrasi tinggi [4]
Serat fluorida digunakan untuk keluaran cahaya 2-3um, serat sulfida digunakan untuk keluaran cahaya 3-6.5um, dan panjang gelombang yang lebih panjang dari 6,5um dapat dihasilkan dengan serat halida. Serat fluorida terutama terdiri dari aluminium fluorida (AlF3), ZBLAN (53 persen ZrF4-20 persen BaF2-4 persen LaF3-3 persen AlF3-20 persen NaF) atau indium fluorida (InF3) , dll. sebagai bahan matriks serat kaca multi-komponen fluorida. Salah satu ZBLAN saat ini lebih umum digunakan serat optik, doping tanah jarang dapat dicapai, karena proses penyambungan fusi dengan serat optik berbasis silikon relatif matang, mesin penyambungan fusi serat optik komersial dapat digunakan, serat InF dan AlF dapat digunakan sebagai perangkat serat optik (seperti penggabung sinar) dan produksi tutup ujung serat optik. Tetapi mudah lembap adalah kelemahan utama dari serat fluorida.
Laser serat kontinu inframerah tengah 2,8um
Pada tahun 1988, Brierley melaporkan 2.7um Er3 plus laser serat doping pertama[5].
Pada tahun 1999, daya output laser serat Er:ZBLAN mencapai terobosan dalam skala watt, dan Jackson et al [6] mencapai output laser 1,7 W menggunakan serat ZBLAN Er3 plus / Pr3 plus co-doped.
Pada abad ke-21, dengan perkembangan teknologi persiapan serat dan teknologi laser serat, kekuatan laser 3um-band semakin meningkat. Diantaranya, Universitas Kyoto di Jepang, Universitas Adelaide di Australia, Universitas Laval di Kanada, dan Universitas Shenzhen di China di laboratorium, telah melaporkan kemajuan percobaan yang sangat baik.
Pada tahun 2015, Fortin et al [7] dari Universitas Laval, Kanada, melaporkan laser serat fluorida Er3 plus dengan daya keluaran 30,5 W dan panjang gelombang keluaran 2938 nm. Sistem ini menggunakan kisi-kisi serat Bragg berdasarkan etsa intra-inti, yaitu kisi-kisi refleksi tinggi dan rendah yang tergores dalam serat ZBLAN dan Er: ZBLAN, masing-masing, untuk membentuk rongga resonansi sepanjang 10 m, dan ujung ekor serat dihubungkan dengan endcap AlF3 untuk mengurangi pencairan dan untuk meningkatkan stabilitas laser, dengan efisiensi laser total 16 persen pada pemompaan 980 nm.
Pada tahun 2018, Aydin et al [8], Universitas Laval, Kanada, menyelesaikan etsa kisi di seluruh bagian serat Er:ZBLAN, dan mencapai output laser 41,6 W pada 2,8 um menggunakan laser serat kontinu dalam mode pemompaan ganda . Ini adalah daya output tertinggi yang dilaporkan dari laser serat inframerah tengah Er:ZBLAN.
Pada tahun 2021, Chunyu Guo et al[10] dari Universitas Shenzhen melaporkan output laser inframerah-menengah 2,8um pertama dengan struktur semua-serat dengan kekuatan 20W di China. Serat doping Er3 plus :ZrF4 yang digunakan memiliki diameter 15um, bukaan numerik NA sekitar 0,12, panjang total 6,5m, koefisien penyerapan 2-3dB/m@976nm, dan kisi reflektif tinggi (99 persen HR-FBG) dan kisi reflektif rendah (10 persen OC-FBG) langsung tertulis pada serat penguat, dengan panjang gelombang pusat 2825 nm, yang membentuk rongga resonansi dengan serat Er. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. ▼ Proses ikatan fusi dari serat berbasis silikon dan ZBLAN, serta proses ikatan fusi dari tutup ujung dan serat pasif, dikembangkan secara independen oleh tim reporter, yang membuat filter optik kelongsong dan Tutup ujung serat AlF3. Efisiensi konversi optik ke optik adalah 14,5 persen saat daya pompa 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]
Setelah upaya bertahun-tahun, pekerja laser serat, sangat mengoptimalkan pemrosesan serat inframerah-menengah, penggunaan peralatan pemrosesan serat khusus komersial saat ini, Anda bisa mendapatkan kehilangan fusi yang lebih rendah, digunakan dalam pencocokan bidang mode inframerah-menengah, penggabung/pembagi , tutup ujung keluaran, dan berbagai perangkat lain, untuk meluncurkan struktur serat semua tingkat produk dari sumber cahaya inframerah menengah.
Laser serat Q-pulsed inframerah menengah
Pada 2020, Sojka et al [11] menggunakan laser 30 W 975 nm yang dipompa dengan diameter inti 15 um, konsentrasi molar 7 persen Er:ZBLAN serat kelongsong ganda untuk menghasilkan output termodulasi-Q akustik-optik dari serat laser pada panjang gelombang 2,8 um pada frekuensi pengulangan 10 kHz, dan keluaran laser dengan energi pulsa 46 uJ dalam serat Er:ZBLAN sepanjang 1,1 m dengan pulsa daya puncak 0,821 kW dengan lebar pulsa 56 ns. 2021, mereka menggunakan serat multimode Er:ZBLAN dengan diameter inti 35um dan lebar pulsa 26 ns dengan daya puncak 12,7 kW dan energi pulsa 330 uJ [12].
Dalam 2021, Shen et al. mencapai keluaran laser berdenyut pertama sebesar 2,8um menggunakan modulasi Q elektro-optik. Serat ZBLAN dengan diameter inti 33um yang diolah dengan konsentrasi Er 6 persen digunakan sebagai media penguatan dengan NA 0,12, dan modulator elektro-optik dipilih menjadi kristal RTP dengan lebar pulsa energi pulsa 13,1ns dari 205,7 uJ dan daya puncak 15,7kW, yang merupakan daya puncak tertinggi Er:ZBLAN memodulasi laser serat Q yang diketahui telah dilaporkan.
Laser serat ultra cepat terkunci dengan mode inframerah sedang
Ada serat Tm-doped dalam serat berbasis silikon untuk keluaran laser 2um, dan teknologinya telah relatif matang, dengan spesifikasi yang lebih tinggi dicapai satu per satu saat teknologi serat dan perangkat matang.
Pada tahun 2018, Universitas Jena melaporkan daya rata-rata 1000 W, laser ultracepat 256 fs 2um menggunakan serat kristal fotonik yang didoping Tm dengan area bidang mode yang besar, 50/250-Tm-PM-PCF. ini adalah metrik tertinggi untuk eksperimen serupa sejauh ini.
Untuk pita panjang gelombang di atas 2um, sebagian besar pekerjaan penelitian laser serat saat ini mengadopsi teknologi penguncian mode pasif, terutama dalam bentuk penyerapan saturable serta efek nonlinier. Yang pertama menggunakan bahan dengan sifat penyerapan saturable secara optik sebagai perangkat mode-locked, seperti SESAM, kristal yang didoping logam seperti Fe: ZnSe, dll., sedangkan yang terakhir menggunakan efek nonlinier optik dan cara lain untuk menghasilkan penyerap saturable yang setara, seperti sebagai rotasi polarisasi nonlinier (NPR), cermin loop optik nonlinier (NOLM), dll.
Pada tahun 2020, Guo et al [14] melaporkan bahwa film tipis WSe2 ditumbuhkan sebagai SA menggunakan CVD dan dipindahkan ke cermin berlapis emas untuk membentuk WSe2-SAM, yang didasarkan pada pulsa mode-locked dengan lebar pulsa 21 ps, frekuensi ulang 42,43 MHz, dan daya rata-rata 360 mW dicapai dengan menggunakan laser 980 nm yang dipompa dengan konsentrasi molar 6 persen serat Er:ZBLAN.
Pada tahun 2022, Qin et al [15] dari Universitas Shanghai Jiaotong menyiapkan SESAM superlattice InAs/GaSb menggunakan teknik pertumbuhan balok epitaksi molekuler, yang dapat secara fleksibel menyesuaikan rentang respons dari penyerap jenuh, densitas energi saturasi, dan waktu pemulihan serta parameter lainnya, dan mencapai output mode-terkunci yang stabil dari laser serat 3,5um Er:ZBLAN dengan lebar pulsa 14,8 ps, daya rata-rata 149 mW, dan frekuensi pengulangan 36,56 MHz.
Pada tahun 2019, Qin et al [16] dari Universitas Shanghai Jiaotong memperpendek lebar pulsa mode-terkunci menjadi 215 fs menggunakan batang Ge untuk manajemen dispersi, dengan energi pulsa 9,3 nJ dan daya puncak 43,3 kW.
Pada tahun 2020, Gu et al. [17] dari Universitas Shanghai Jiaotong melaporkan pulsa soliton dengan output mode terkunci 131 fs, daya puncak 22,68 kW, dan energi pulsa 3 nJ berdasarkan teknik NPR untuk laser serat Er∶ZBLAN 2,8 μm.
Pada tahun yang sama, Huang et al [18] mencapai keluaran mode-terkunci dengan lebar pulsa 126 fs dan energi pulsa 10 nJ dengan memompa serat Er: ZBLAN sepanjang 3,3 m pada 980 nm menggunakan teknik NPR, dan penguat Er: ZBLAN dan serat nonlinear ZBLAN semakin mengompresi lebar pulsa menjadi 15,9 fs, dengan daya pulsa puncak akhir 500 kW.
Pada tahun 2022, Yu et al [19] menyiapkan sumber cahaya benih berdenyut dengan lebar pulsa 283 fs menggunakan serat Er:ZBLAN sepanjang 2,4 m yang didoping dengan konsentrasi molar 7 persen, dan selanjutnya dikompresi lebar pulsa menjadi 59 fs menggunakan amplifikasi nonlinier , memperoleh daya rata-rata pulsa hingga 4,13 W, yang merupakan daya output rata-rata tertinggi dari laser serat mode-terkunci sub-seratus femtodetik hingga saat ini.
Ckesimpulan
Laser serat inframerah menengah, dengan laser serat kompak, perawatan lebih sedikit, stabilitas tinggi, kualitas sinar tinggi dan banyak keuntungan lainnya, fluorida, sulfida, halida, serat berongga dan serat inframerah menengah lainnya, dari daya, spektral, aplikasi perangkat serat optik , dan aspek lain dari pengembangan laser mid-infrared telah sangat mendorong pengembangan laser mid-infrared, dengan material mid-infrared dan teknologi serat optik terus matang, akan ada lebih banyak laser serat mid-infrared berkualitas tinggi produk untuk keluar dalam pertahanan nasional, penelitian ilmiah, manufaktur industri, perawatan medis, dan bidang lain untuk memainkan peran yang lebih besar dan lebih besar.
