2um-5um 중적외선 레이저는 고유한 응용 분야가 있습니다. 이 대역은 여러 대기 창을 커버하므로 LIDAR, 대기 통신, 레이저 거리 측정, 초고해상도 천문 분광기 보정 및 광전자 탐지에 유용합니다. 등 [1]; 중간 적외선 대역에는 "분자 지문"으로 알려진 특징적인 스펙트럼 선이 포함되어 있으며, 이는 고속, 고해상도, 높은 스펙트럼 감도, 중간 적외선 분광 측정의 높은 신호 대 잡음비에 사용할 수 있습니다[2] ; 3um 부근의 물 분자는 흡수 피크가 강하여 많은 의료 작업에 사용할 수 있습니다. 분자 이미징 등을 달성하기 위해 분자 함량 및 식별의 분자 유형의 감지에 사용할 수있는 흡수 스펙트럼 밴드의 분자 공유 결합에 있습니다.
상업적으로 이용 가능한 중적외선 레이저 소스에는 OPO 파라메트릭 발진 레이저, 초연속 스펙트럼 광원, 양자 캐스케이드 레이저 및 파이버 레이저가 포함됩니다.
중적외선 파이버 레이저는 중적외선 파이버의 구현에 따라 주로 Er3 플러스, Dy3 플러스 도핑된 ZBLAN 파이버 레이저와 같은 도핑된 희토류를 기반으로 하는 중적외선 레이저를 포함하여 능동 및 수동 측면으로 나눌 수 있습니다. ; 레이저의 초연속 스펙트럼인 라만 레이저와 같은 비선형 효과에 기초한 중적외선 레이저; 다른 파장을 달성하기 위해 다른 가스와 함께 특수 도파관 구조를 가진 중공 코어 광섬유를 기반으로 합니다. 중간 적외선 레이저의 다른 파장. 최근 몇 년 동안 파이버 레이저 기술의 지속적인 발전과 성숙으로 중적외선 레이저 기술에 대한 연구가 뜨겁고 관련 실험과 제품 보고서는 끝이 없으며 여기서는 단파장 중적외선 파이버 레이저 기반 이득 활성 섬유에.
어: ZBLAN 광섬유
Er은 희토류 원소로서 풍부한 에너지 준위 구조를 가지고 있으며, 입자는 655nm, 790nm 및 980nm의 펌프 파장에서 기저 상태 흡수에 의해 더 높은 에너지 준위로 여기되고 1.55um 방출은 4I13/2 에너지 준위에서 4I15/2 에너지 준위로, 4I11/2 에너지 준위에서 4I13/2 에너지 준위로 전환하여 2.8um 방출. 4F9/2 에너지 수준에서 4I9/2 에너지 수준으로의 입자 점프는 3.5um 방출을 생성할 수 있습니다. 현재 고농도 도핑된 Er:ZBLAN 섬유로부터 2.8um 레이징을 얻는 것이 비교적 주류인 방법이다[4].
2-3um 광출력은 불소화이버, 3-6.5um 광출력은 황화섬유를 사용하고 할로겐화 섬유는 6.5um 이상의 파장을 출력할 수 있다. 불화물 섬유는 주로 불화알루미늄(AlF3), ZBLAN(53% ZrF4-20% BaF2-4% LaF3-3% AlF3-20% NaF) 또는 불화인듐(InF3)입니다. 등 불화물 다 성분 유리 섬유의 매트릭스 재료로. ZBLAN 중 하나는 현재 더 일반적으로 사용되는 광섬유이며 희토류 도핑을 달성할 수 있습니다. 실리콘 기반 광섬유와의 융착 접합 공정이 비교적 성숙되어 상업용 광섬유 융착 접속 기계를 사용할 수 있으며 InF 및 AlF 섬유를 사용할 수 있습니다. 광섬유 장치(예: 빔 결합기) 및 광섬유 엔드 캡 생산으로 사용됩니다. 그러나 습기에 쉽게 젖는 것은 불소 섬유의 주요 단점입니다.
2.8um 중적외선 연속 파이버 레이저
1988년에 Brierley는 최초의 2.7um Er3 플러스 도핑 파이버 레이저[5]를 발표했습니다.
1999년에 Er:ZBLAN 파이버 레이저의 출력은 와트 규모에서 획기적인 발전을 이루었고 Jackson 등[6]은 Er3 플러스/Pr3 플러스 공동 도핑된 ZBLAN 파이버를 사용하여 1.7W의 레이저 출력을 달성했습니다.
21세기에는 파이버 준비 기술과 파이버 레이저 기술의 발달로 3um 밴드 레이저의 출력이 더욱 높아졌다. 그 중 일본의 Kyoto University, 호주의 Adelaide University, 캐나다의 Laval University, 중국의 Shenzhen University의 실험실에서 매우 우수한 실험 진행을 보고했습니다.
2015년 캐나다 Laval 대학의 Fortin 등[7]은 출력 전력이 30.5W이고 출력 파장이 2938nm인 Er3 플러스 도핑된 불화물 파이버 레이저를 보고했습니다. 이 시스템은 내부 코어 에칭에 기반한 광섬유 브래그 격자를 사용했습니다. 즉, ZBLAN 및 Er:ZBLAN 광섬유에 고반사 격자와 저반사 격자를 각각 에칭하여 10m 길이의 공진 공동을 형성하고 광섬유 꼬리 끝을 연결했습니다. AlF3 엔드캡을 사용하여 조해를 줄이고 레이저의 안정성을 개선하며 980nm 펌핑에서 총 레이저 효율은 16%입니다.
2018년 캐나다 Laval 대학의 Aydin et al[8]은 Er:ZBLAN 광섬유 전체 단면 내에서 격자 에칭을 완료하고 이중 펌핑 모드에서 연속 광섬유 레이저를 사용하여 2.8um에서 41.6W의 레이저 출력을 달성했습니다. . 이는 보고된 Er:ZBLAN 중적외선 파이버 레이저의 알려진 최고 출력입니다.
2021년, Shenzhen University의 Chunyu Guo et al[10]은 중국에서 20W의 전력으로 전체 섬유 구조를 가진 최초의 2.8um 중적외선 레이저 출력을 보고했습니다. 사용된 Er3 plus:ZrF4 도핑된 섬유는 직경 15um, 개구수 NA 약 0.12, 총 길이 6.5m, 흡수 계수 2-3dB/m@976nm, 고반사 격자 (99% HR-FBG) 및 저반사 격자(10% OC-FBG)는 Er 섬유와 공명 공동을 형성하는 중심 파장이 2825nm인 이득 섬유에 직접 새겨져 있습니다. ▼ 그림과 같이 실리콘 기반 및 ZBLAN 섬유의 융착 공정과 엔드 캡 및 수동 섬유의 융착 공정은 클래딩 광학 필터 및 AlF3 섬유 엔드 캡. 펌프 전력이 140W일 때 광-광 변환 효율은 14.5%, 출력 출력 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]
수년간의 노력 끝에 파이버 레이저 작업자는 중적외선 파이버의 처리를 크게 최적화했으며 현재 상업용 특수 파이버 처리 장비를 사용하여 융착 손실을 낮출 수 있으며 중적외선 모드 필드 매처, 결합기/스플리터에 사용됩니다. , 출력 엔드 캡 및 기타 다양한 장치를 통해 중간 적외선 광원의 제품 수준의 모든 섬유 구조를 출시합니다.
중적외선 Q 펄스 파이버 레이저
2020에서 Sojka 등[11]은 광섬유의 음향 광학 Q 변조 출력을 달성하기 위해 30W 975nm 레이저 펌핑 15um 코어 직경, 7% 몰 농도 Er:ZBLAN 이중 클래딩 광섬유를 사용했습니다. 10 kHz의 반복 주파수에서 2.8 um의 파장에서 레이저, 그리고 0.821 kW의 최대 출력의 펄스를 가진 1.1 m 길이의 Er:ZBLAN 섬유에서 46 uJ의 펄스 에너지를 가진 레이저 출력 56ns의 펄스 폭. 2021년에는 코어 직경이 35um이고 펄스 폭이 26ns이고 피크 전력이 12.7kW이고 펄스 에너지가 330uJ인 Er:ZBLAN 다중 모드 광섬유를 사용했습니다[12].
2021에서 Shen et al. 전기 광학 Q 변조를 사용하여 2.8um의 최초 펄스 레이저 출력을 달성했습니다. 6%의 Er 농도로 도핑된 코어 직경 33um의 ZBLAN 섬유는 NA 0.12의 이득 매질로 사용되었으며 전기 광학 변조기는 205.7의 펄스 폭 13.1ns 펄스 에너지를 갖는 RTP 결정으로 선택되었습니다. uJ 및 15.7kW의 피크 파워는 지금까지 보고된 것으로 알려진 Er:ZBLAN 변조 Q 파이버 레이저 중 가장 높은 피크 파워입니다.
중적외선 모드 잠금 초고속 파이버 레이저
2um 레이저의 출력을 위해 실리콘계 섬유에 Tm 도핑된 섬유가 있으며, 기술이 상대적으로 성숙되어 섬유 및 소자 기술이 성숙함에 따라 하나씩 더 높은 사양을 달성하고 있습니다.
2018년 Jena University는 50/250-Tm-PM-PCF의 넓은 모드 필드 영역을 갖는 Tm 도핑된 광결정 섬유를 활용한 1000W 평균 전력, 2um 초고속 레이저의 256fs를 보고했습니다. 이것은 지금까지 유사한 실험에서 가장 높은 측정항목입니다.
2um 이상의 파장 대역의 경우, 현재 파이버 레이저 연구 작업의 대부분은 주로 비선형 효과뿐만 아니라 포화 흡수의 형태로 수동 모드 잠금 기술을 채택합니다. 전자는 SESAM과 같은 모드 잠금 장치, Fe: ZnSe 등과 같은 금속 도핑 결정과 같은 광학적으로 포화 가능한 흡수 특성을 가진 재료를 사용하는 반면, 후자는 광학 비선형 효과 및 기타 수단을 활용하여 다음과 같은 동등한 포화 흡수체를 생성합니다. 비선형 편광 회전(NPR), 비선형 광학 루프 미러(NOLM) 등
2020년에 Guo 등[14]은 CVD를 사용하여 WSe2 박막을 SA로 성장시키고 금도금 미러로 전송하여 WSe2-SAM을 형성했다고 보고했습니다. Er:ZBLAN 섬유의 6% 몰 농도로 펌핑된 980nm 레이저를 사용하여 21ps, 재주파수 42.43MHz 및 평균 전력 360mW를 달성했습니다.
2022년 Shanghai Jiaotong University의 Qin et al[15]은 포화 흡수체의 응답 범위, 포화 에너지 밀도, 복구 시간 및 기타 매개변수를 유연하게 조정할 수 있는 분자 빔 에피택시 성장 기술을 사용하여 InAs/GaSb 초격자 SESAM을 준비했습니다. 펄스 폭 14.8ps, 평균 출력 149mW, 반복 주파수 36.56MHz의 3.5um Er:ZBLAN 파이버 레이저에서 안정적인 모드 잠금 출력을 달성했습니다.
2019년에 Shanghai Jiaotong University의 Qin et al[16]은 9.3nJ의 펄스 에너지와 43.3kW의 피크 전력으로 분산 관리를 위해 Ge 로드를 사용하여 모드 잠금 펄스 폭을 215fs로 더 단축했습니다.
2020년 구 외. Shanghai Jiaotong University의 [17]은 2.8μm Er∶ZBLAN 파이버 레이저에 대한 NPR 기술을 기반으로 131fs 모드 잠금 출력, 22.68kW 피크 전력 및 3nJ 펄스 에너지를 갖는 솔리톤 펄스를 보고했습니다.
같은 해에 Huang 등[18]은 NPR 기술을 사용하여 980nm에서 3.3m 길이의 Er:ZBLAN 광섬유를 펌핑하여 펄스 폭 126fs 및 펄스 에너지 10nJ의 모드 잠금 출력을 달성했으며, Er: ZBLAN 증폭기와 ZBLAN 비선형 파이버는 펄스 폭을 15.9fs로 더 압축했으며 최종 피크 펄스 전력은 500kW입니다.
2022년에 Yu et al[19]은 7% 몰 농도로 도핑된 2.4m 길이의 Er:ZBLAN 섬유를 사용하여 펄스 폭이 283fs인 펄스 종자 광원을 준비하고 비선형 증폭을 사용하여 펄스 폭을 59fs로 추가로 압축했습니다. , 최대 4.13W의 펄스 평균 출력을 얻습니다. 이는 현재까지 100펨토초 이하 모드 고정 파이버 레이저의 가장 높은 평균 출력입니다.
C결론
중적외선 파이버 레이저, 파이버 레이저 콤팩트, 적은 유지 보수, 높은 안정성, 높은 빔 품질 및 전력, 스펙트럼, 광섬유 장치 응용 프로그램에서 불소, 황화물, 할로겐화물, 중공 파이버 및 기타 중적외선 파이버와 같은 기타 많은 이점 , 중적외선 레이저 개발의 다른 측면은 중적외선 레이저의 개발을 크게 촉진했으며 중적외선 재료와 광섬유 기술이 계속 성숙함에 따라 더 많은 고품질 중적외선 파이버 레이저가 있을 것입니다. 국방, 과학 연구, 산업 제조, 의료 및 기타 분야에서 나오는 제품이 점점 더 큰 역할을 할 것입니다.
