Le laser infrarouge moyen 2um-5um a ses propres applications uniques : cette bande couvre plusieurs fenêtres atmosphériques, ce qui la rend utile pour le LIDAR, les communications atmosphériques, la télémétrie laser, l'étalonnage des spectromètres astronomiques à ultra-haute résolution et la détection optoélectronique, etc. [1] ; la bande infrarouge moyen contient les raies spectrales caractéristiques appelées "empreintes moléculaires", qui peuvent être utilisées pour la haute vitesse, la haute résolution, la sensibilité spectrale élevée, le rapport signal sur bruit élevé de la mesure par spectroscopie infrarouge moyen [2] ; les molécules d'eau au voisinage de 3um ont un fort pic d'absorption de sorte qu'elles peuvent être utilisées dans de nombreuses opérations médicales; est situé dans la liaison covalente moléculaire de la bande spectrale d'absorption, qui peut être utilisée pour la détection du contenu moléculaire et du type moléculaire d'identification, pour réaliser l'imagerie moléculaire, etc.
Les sources laser infrarouge moyen disponibles dans le commerce comprennent les lasers oscillants paramétriques OPO, les sources de lumière spectrale supercontinuum, les lasers à cascade quantique et les lasers à fibre.
Le laser à fibre infrarouge moyen, selon la réalisation de la fibre infrarouge moyen peut être divisé en aspects actifs et passifs, y compris principalement le laser infrarouge moyen basé sur des terres rares dopées, telles que Er3 plus, Dy3 plus laser à fibre ZBLAN dopé ; laser infrarouge moyen basé sur l'effet non linéaire, tel que le laser Raman, le spectre super-continuum du laser; basé sur la fibre optique à noyau creux avec une structure de guide d'ondes spéciale, avec les différents gaz pour atteindre différentes longueurs d'onde. Différentes longueurs d'onde du laser infrarouge moyen. Ces dernières années, avec le développement continu et la maturité de la technologie laser à fibre, la recherche autour de la technologie laser infrarouge moyen est en vogue, les expériences connexes et les rapports de produits sont sans fin, et ici nous ne discutons que du laser à fibre infrarouge moyen à longueur d'onde unique. sur la fibre active de gain.
Er : fibre optique ZBLAN
Er comme un élément de terre rare a une structure de niveau d'énergie riche, les particules sont excitées à des niveaux d'énergie plus élevés par absorption de l'état fondamental à des longueurs d'onde de pompe de 655 nm, 790 nm et 980 nm, et une émission de 1,55 um peut être produite par transfert radiatif de Niveau d'énergie 4I13/2 au niveau d'énergie 4I15/2 et émission de 2,8 um en transférant du niveau d'énergie 4I11/2 au niveau d'énergie 4I13/2. Le saut de particules du niveau d'énergie 4F9/2 au niveau d'énergie 4I9/2 peut produire une émission de 3,5 µm. Actuellement, il s'agit d'une méthode relativement courante pour obtenir un effet laser de 2,8 µm à partir de fibres Er: ZBLAN dopées à haute concentration [4]
La fibre fluorée est utilisée pour la sortie lumineuse 2-3um, la fibre sulfurée est utilisée pour la sortie lumineuse 3-6.5um, et des longueurs d'onde supérieures à 6,5um peuvent être émises avec la fibre halogénure. La fibre fluorée est principalement constituée de fluorure d'aluminium (AlF3), de ZBLAN (53 % de ZrF4-20 % de BaF2-4 % de LaF3-3 % d'AlF3-20 % de NaF) ou de fluorure d'indium (InF3) , etc. comme matériau de matrice de fibre de verre multicomposant fluoré. L'un des ZBLAN est actuellement la fibre optique la plus couramment utilisée, le dopage aux terres rares peut être réalisé, car son processus d'épissage par fusion avec la fibre optique à base de silicium est relativement mature, des machines d'épissage par fusion de fibre optique commerciales peuvent être utilisées, les fibres InF et AlF peuvent être utilisé comme dispositif à fibre optique (comme un combinateur de faisceaux) et la production de capuchons d'extrémité de fibre optique. Mais la facilité d'humidité est le principal inconvénient de la fibre fluorée.
Laser à fibre continue infrarouge moyen 2,8 um
En 1988, Brierley a présenté le premier laser à fibre dopée Er3 plus 2,7 um [5] .
En 1999, la puissance de sortie du laser à fibre Er:ZBLAN a réalisé une percée dans l'échelle du watt, et Jackson et al [6] ont atteint une puissance laser de 1,7 W en utilisant la fibre ZBLAN co-dopée Er3 plus / Pr3 plus.
Au 21ème siècle, avec le développement de la technologie de préparation des fibres et de la technologie laser à fibre, la puissance des lasers à bande 3um a encore été augmentée. Parmi eux, l'Université de Kyoto au Japon, l'Université d'Adélaïde en Australie, l'Université Laval au Canada et l'Université de Shenzhen en Chine en laboratoire, ont fait état de très excellents progrès expérimentaux.
En 2015, Fortin et al [7] de l'Université Laval, au Canada, ont rapporté un laser à fibre de fluorure dopé Er3 plus avec une puissance de sortie de 30,5 W et une longueur d'onde de sortie de 2938 nm. Le système utilisait un réseau de Bragg à fibre basé sur la gravure intra-cœur, c'est-à-dire que des réseaux à haute et basse réflexion étaient gravés dans les fibres ZBLAN et Er:ZBLAN, respectivement, pour former une cavité résonnante de 10 m de long, et l'extrémité arrière de la fibre était connectée avec un capuchon d'extrémité en AlF3 pour réduire la déliquescence et améliorer la stabilité du laser, avec une efficacité laser totale de 16 % à 980 nm de pompage.
En 2018, Aydin et al [8], Université Laval, Canada, ont terminé la gravure du réseau dans une section entière de la fibre Er:ZBLAN et ont obtenu une puissance laser de 41,6 W à 2,8 um en utilisant un laser à fibre continue en mode de pompage double. . Il s'agit de la puissance de sortie la plus élevée connue d'un laser à fibre infrarouge moyen Er:ZBLAN.
En 2021, Chunyu Guo et al[10] de l'université de Shenzhen ont signalé la première sortie laser infrarouge moyen de 2,8 um avec une structure entièrement en fibre à une puissance de 20 W en Chine. La fibre dopée Er3 plus : ZrF4 utilisée a un diamètre de 15 um, une ouverture numérique NA d'environ 0,12, une longueur totale de 6,5 m, un coefficient d'absorption de 2-3 dB/m@976 nm et un réseau hautement réfléchissant. (99 % HR-FBG) et un réseau à faible réflexion (10 % OC-FBG) directement inscrit sur une fibre de gain, avec une longueur d'onde centrale de 2825 nm, qui forme une cavité de résonance avec la fibre Er. Comme le montre la Fig. ▼ Le processus de liaison par fusion des fibres à base de silicium et ZBLAN, ainsi que le processus de liaison par fusion des embouts et des fibres passives, ont été développés indépendamment par l'équipe du journaliste, qui a fabriqué les filtres optiques de revêtement et le Embouts en fibre AlF3. L'efficacité de conversion optique-optique est de 14,5 % lorsque la puissance de la pompe est de 140 W, 输出功率20,3 W à 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]
Après des années d'efforts, les travailleurs du laser à fibre ont grandement optimisé le traitement de la fibre infrarouge moyen, l'utilisation actuelle d'équipements de traitement de fibres spéciaux commerciaux, vous pouvez obtenir une perte de fusion plus faible, est utilisé dans le matcher de champ en mode infrarouge moyen, combineur/séparateur , le capuchon d'extrémité de sortie et une variété d'autres dispositifs, afin de lancer la structure tout-fibre au niveau du produit de la source de lumière infrarouge moyen.
Laser à fibre Q-pulsé dans l'infrarouge moyen
En 2020, Sojka et al [11] ont utilisé une fibre à double gaine Er:ZBLAN pompée par laser de 30 W à 975 nm de diamètre de cœur et de concentration molaire de 7 % pour obtenir une sortie acousto-optique modulée en Q d'une fibre. laser à une longueur d'onde de 2,8 um à une fréquence de répétition de 10 kHz, et une sortie laser avec une énergie d'impulsion de 46 uJ dans une fibre Er:ZBLAN de 1, 1 m de long avec une impulsion de puissance de crête de 0, 821 kW avec un largeur d'impulsion de 56 ns. 2021, ils ont utilisé une fibre multimode Er:ZBLAN avec un diamètre de cœur de 35 um et une largeur d'impulsion de 26 ns avec une puissance de crête de 12,7 kW et une énergie d'impulsion de 330 uJ [12].
En 2021, Shen et al. a réalisé la première sortie laser pulsée de 2,8 µm en utilisant la modulation Q électro-optique. Une fibre ZBLAN avec un diamètre de noyau de 33 um dopé avec une concentration en Er de 6% a été utilisée comme milieu de gain avec NA 0,12, et le modulateur électro-optique a été sélectionné pour être un cristal RTP avec une largeur d'impulsion de 13,1 ns énergie d'impulsion de 205,7 uJ et une puissance de crête de 15,7 kW, qui est la plus haute puissance de crête laser à fibre Q modulée Er:ZBLAN connue pour avoir été signalée.
Laser à fibre ultrarapide verrouillé en mode infrarouge moyen
Il existe des fibres dopées au Tm dans les fibres à base de silicium pour la sortie des lasers 2um, et la technologie est relativement mature, des spécifications plus élevées étant atteintes une par une à mesure que les technologies de fibre et de dispositif mûrissent.
En 2018, l'université d'Iéna a signalé une puissance moyenne de 1 000 W, 256 fs de laser ultrarapide de 2 um utilisant une fibre à cristal photonique dopée au Tm avec une grande zone de champ de mode, 50/250-Tm-PM-PCF. il s'agit des mesures les plus élevées pour des expériences similaires à ce jour.
Pour la bande de longueur d'onde supérieure à 2 µm, la plupart des travaux de recherche actuels sur les lasers à fibre adoptent la technologie de verrouillage de mode passif, principalement sous la forme d'absorption saturable ainsi que d'effets non linéaires. Le premier utilise des matériaux avec des propriétés d'absorption optiquement saturables en tant que dispositifs à verrouillage de mode, tels que SESAM, des cristaux dopés métalliques tels que Fe: ZnSe, etc., tandis que le second utilise des effets optiques non linéaires et d'autres moyens pour générer des absorbants saturables équivalents, tels que rotation de polarisation non linéaire (NPR), miroir de boucle optique non linéaire (NOLM), etc.
En 2020, Guo et al [14] ont rapporté que des couches minces de WSe2 étaient développées sous forme de SA à l'aide de CVD et transférées sur des miroirs plaqués or pour former WSe2-SAM, sur la base de laquelle une impulsion verrouillée en mode avec une largeur d'impulsion de 21 ps, une re-fréquence de 42, 43 MHz et une puissance moyenne de 360 mW ont été obtenues à l'aide d'un laser à 980 nm pompé avec une concentration molaire de 6 % de fibre Er:ZBLAN.
En 2022, Qin et al [15] de l'Université Jiaotong de Shanghai ont préparé le SESAM du super-réseau InAs/GaSb en utilisant la technique de croissance épitaxiale par faisceau moléculaire, qui peut ajuster de manière flexible la plage de réponse de l'absorbeur saturable, la densité d'énergie de saturation, le temps de récupération et d'autres paramètres, et a obtenu une sortie stable en mode verrouillé à partir d'un laser à fibre Er:ZBLAN de 3,5 um avec une largeur d'impulsion de 14,8 ps, une puissance moyenne de 149 mW et une fréquence de répétition de 36,56 MHz.
En 2019, Qin et al [16] de l'Université Jiaotong de Shanghai ont encore raccourci la largeur d'impulsion verrouillée en mode à 215 fs en utilisant des tiges Ge pour la gestion de la dispersion, avec une énergie d'impulsion de 9,3 nJ et une puissance de crête de 43,3 kW.
En 2020, Gu et al. [17] de l'Université Jiaotong de Shanghai ont rapporté une impulsion soliton avec une sortie à verrouillage de mode de 131 fs, une puissance de crête de 22,68 kW et une énergie d'impulsion de 3 nJ basée sur la technique NPR pour un laser à fibre Er∶ZBLAN de 2,8 μm.
La même année, Huang et al [18] ont obtenu une sortie à verrouillage de mode avec une largeur d'impulsion de 126 fs et une énergie d'impulsion de 10 nJ en pompant une fibre Er: ZBLAN de 3,3 m de long à 980 nm en utilisant la technique NPR, et l'amplificateur Er: ZBLAN et la fibre non linéaire ZBLAN ont encore comprimé la largeur d'impulsion à 15,9 fs, avec une puissance d'impulsion de crête finale de 500 kW.
En 2022, Yu et al [19] ont préparé une source de lumière de graine pulsée avec une largeur d'impulsion de 283 fs en utilisant une fibre Er:ZBLAN de 2,4 m de long dopée avec une concentration molaire de 7 %, et ont ensuite compressé la largeur d'impulsion à 59 fs en utilisant une amplification non linéaire. , obtenant une puissance moyenne pulsée allant jusqu'à 4,13 W, qui est la puissance de sortie moyenne la plus élevée d'un laser à fibre à verrouillage de mode inférieur à une centaine de femtosecondes à ce jour.
Cinclusion
Laser à fibre infrarouge moyen, avec laser à fibre compact, moins d'entretien, stabilité élevée, qualité de faisceau élevée et de nombreux autres avantages, fluorure, sulfure, halogénure, fibre creuse et autres fibres infrarouges moyennes, à partir des applications de dispositifs à fibre optique de puissance, spectrales , et d'autres aspects du développement du laser infrarouge moyen ont grandement favorisé le développement du laser infrarouge moyen, avec les matériaux infrarouges moyens et la technologie à fibre optique continue de mûrir, il y aura plus de laser à fibre infrarouge moyen de haute qualité produits à sortir dans la défense nationale, la recherche scientifique, la fabrication industrielle, les soins médicaux et d'autres domaines pour jouer un rôle de plus en plus important.
