تجزیه و تحلیل عمیق فناوری و کاربردهای لیزر فیبر مادون قرمز میانی

لیزر مادون قرمز 2um{1}}um کاربردهای منحصر به فرد خود را دارد: این باند چندین پنجره اتمسفر را پوشش می دهد که آن را برای LIDAR، ارتباطات جوی، محدوده لیزری، کالیبراسیون طیف سنج های نجومی با وضوح فوق العاده بالا، و تشخیص نوری مفید می کند. غیره [1]; باند مادون قرمز میانی حاوی خطوط طیفی مشخصه‌ای است که به عنوان «اثر انگشت مولکولی» شناخته می‌شوند، که می‌تواند برای سرعت بالا، وضوح بالا، حساسیت طیفی بالا، نسبت سیگنال به نویز بالا در اندازه‌گیری طیف‌سنجی فروسرخ میانی استفاده شود [2] ; مولکول های آب در مجاورت 3um دارای پیک جذب قوی هستند به طوری که می توان از آن در بسیاری از عملیات های پزشکی استفاده کرد. در پیوند کووالانسی مولکولی باند طیفی جذبی قرار دارد که می تواند برای تشخیص محتوای مولکولی و نوع مولکولی شناسایی، برای دستیابی به تصویربرداری مولکولی و غیره استفاده شود.

منابع لیزری فروسرخ میانی موجود در بازار عبارتند از: لیزرهای نوسانی پارامتریک OPO، منابع نور طیفی ابرپیوسته، لیزرهای آبشاری کوانتومی و لیزرهای فیبر.

لیزر فیبر مادون قرمز میانی، با توجه به تحقق فیبر مادون قرمز میانی را می توان به جنبه های فعال و غیرفعال تقسیم کرد، به طور عمده شامل لیزر مادون قرمز میانی مبتنی بر خاکی کمیاب، مانند Er3 plus، Dy3 plus دوپ شده ZBLAN لیزر فیبر ZBLAN. ; لیزر مادون قرمز متوسط ​​بر اساس اثر غیر خطی، مانند لیزر رامان، طیف فوق پیوسته لیزر. بر اساس فیبر نوری توخالی با ساختار موجبر ویژه، با گازهای مختلف برای رسیدن به طول موج های مختلف. طول موج های مختلف لیزر مادون قرمز میانی. در سال‌های اخیر، با توسعه و بلوغ مستمر فناوری لیزر فیبر، تحقیقات پیرامون فناوری لیزر مادون قرمز میانی داغ است، آزمایش‌های مرتبط و گزارش‌های محصول بی‌پایان است و در اینجا ما فقط بر اساس لیزر فیبر مادون قرمز میانی تک طول موج بحث می‌کنیم. در به دست آوردن فیبر فعال

Er: فیبر نوری ZBLAN

Er به عنوان یک عنصر خاکی کمیاب دارای ساختار سطح انرژی غنی است، ذرات با جذب حالت پایه در طول موج های پمپ 655 نانومتر، 790 نانومتر و 980 نانومتر به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته می شوند و انتشار 1.55 um را می توان با انتقال تشعشع از سطح انرژی 4I13/2 به سطح انرژی 4I15/2 و انتشار 2.8 um با انتقال از سطح انرژی 4I11/2 به سطح انرژی 4I13/2. پرش ذرات از سطح انرژی 4F9/2 به سطح انرژی 4I9/2 می تواند انتشار 3.5um را ایجاد کند. در حال حاضر، این یک روش نسبتاً رایج برای به دست آوردن لیزر 2.8um از الیاف Er: ZBLAN دوپ شده با غلظت بالا است [4]

فیبر فلوراید برای 2-3 خروجی نور um، فیبر سولفید برای خروجی نور 3-6.5 میلی متر استفاده می شود و طول موج های بلندتر از 6.5 میلی متر را می توان با فیبر هالید خروجی داد. فیبر فلوراید عمدتاً فلوراید آلومینیوم (AlF3)، ZBLAN (53 درصد ZrF4-20 درصد BaF2-4 درصد LaF3-3 درصد AlF3-20 درصد NaF) یا فلوراید ایندیم (InF3) است. و غیره به عنوان ماده ماتریس فیبر شیشه ای چند جزئی فلوراید. یکی از ZBLAN در حال حاضر بیشتر مورد استفاده فیبر نوری است، دوپینگ خاکی کمیاب را می توان به دست آورد، زیرا فرآیند پیوند همجوشی آن با فیبر نوری مبتنی بر سیلیکون نسبتا بالغ است، می توان از ماشین های اتصال فیوژن فیبر نوری تجاری استفاده کرد، فیبر InF و AlF را می توان استفاده کرد. به عنوان یک دستگاه فیبر نوری (مانند ترکیب کننده پرتو) و تولید کلاهک های انتهایی فیبر نوری استفاده می شود. اما رطوبت آسان، نقطه ضعف اصلی فیبر فلوراید است.

لیزر فیبر پیوسته 2.8 میلی متری مادون قرمز میانی

در سال 1988، بریرلی اولین لیزر فیبر 2.7um Er3 به علاوه دوپینگ را گزارش کرد[5].

در سال 1999، توان خروجی لیزر فیبر Er:ZBLAN به پیشرفتی در مقیاس وات دست یافت، و جکسون و همکاران[6] با استفاده از فیبر ZBLAN دوپ شده Er3 plus / Pr3 پلاس به خروجی لیزر 1.7 وات دست یافتند.

در قرن بیست و یکم، با توسعه فناوری آماده سازی فیبر و فناوری لیزر فیبر، قدرت لیزرهای باند 3 میلی متری بیشتر شد. از جمله دانشگاه کیوتو در ژاپن، دانشگاه آدلاید در استرالیا، دانشگاه لاوال در کانادا، و دانشگاه شنژن در چین در آزمایشگاه، پیشرفت تجربی بسیار عالی را گزارش کرده‌اند.

در سال 2015، فورتین و همکاران [7] از دانشگاه لاوال، کانادا، یک لیزر فیبر فلوراید دوپینگ Er3 پلاس با توان خروجی 30.5 وات و طول موج خروجی 2938 نانومتر را گزارش کردند. این سیستم از یک گریتینگ فیبر براگ مبتنی بر اچینگ درون هسته ای استفاده کرد، به عنوان مثال، گریتینگ های انعکاس زیاد و کم به ترتیب در الیاف ZBLAN و Er:ZBLAN برای تشکیل یک حفره رزونانسی به طول 10 متر حک شدند و انتهای دم فیبر متصل شد. با درپوش انتهایی AlF3 برای کاهش ضایعات و بهبود پایداری لیزر، با راندمان کلی لیزر 16 درصد در پمپاژ 980 نانومتر.

در سال 2018، آیدین و همکاران [8]، دانشگاه لاوال، کانادا، حکاکی گریتینگ را در یک بخش کامل از فیبر Er:ZBLAN تکمیل کردند و با استفاده از لیزر فیبر پیوسته در حالت پمپاژ دوگانه، به خروجی لیزر 41.6 وات در 2.8 um دست یافتند. . این بالاترین توان خروجی گزارش شده از یک لیزر فیبر مادون قرمز میانی Er:ZBLAN است.

در 2021، Chunyu Guo و همکاران[10] از دانشگاه شنژن اولین خروجی لیزر مادون قرمز 2.8 میلیمتری را با ساختار تمام فیبر با توان 20 وات در چین گزارش کردند. فیبر دوپینگ Er3 plus :ZrF4 مورد استفاده دارای قطر 15 میکرومتر، دیافراگم عددی NA حدود 0.12، طول کل 6.5 متر، ضریب جذب 2-3dB/m@976nm، و توری با بازتاب بالا است. (99 درصد HR-FBG) و یک توری با انعکاس کم (10 درصد OC-FBG) که مستقیماً روی یک فیبر افزایشی حک شده است، با طول موج مرکزی 2825 نانومتر، که یک حفره رزونانسی را با فیبر Er تشکیل می دهد. همانطور که در شکل ▼ نشان داده شده است، فرآیند پیوند همجوشی فیبرهای مبتنی بر سیلیکون و ZBLAN، و همچنین فرآیند پیوند همجوشی درپوش‌های انتهایی و الیاف غیرفعال، به‌طور مستقل توسط تیم گزارشگر که فیلترهای نوری روکش و فیلترهای نوری را ساختند، توسعه داده شد. کلاهک های انتهایی فیبر AlF3. راندمان تبدیل نوری به اپتیکال زمانی که قدرت پمپ 140 وات باشد 14.5 درصد است، 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]

پس از سال ها تلاش، کارگران لیزر فیبر، پردازش فیبر مادون قرمز میانی را تا حد زیادی بهینه کردند، استفاده فعلی از تجهیزات پردازش فیبر ویژه تجاری، می توانید تلفات همجوشی کمتری دریافت کنید، در تطبیق میدان حالت مادون قرمز میانی، ترکیب کننده / شکاف استفاده می شود. ، درپوش انتهایی خروجی و انواع دستگاه های دیگر، به طوری که ساختار تمام فیبر سطح محصول منبع نور مادون قرمز متوسط ​​را راه اندازی کند.

لیزر فیبر پالس Q مادون قرمز میانی

در 2{14}}20، Sojka و همکاران [11] از یک لیزر 30 واتی 975 نانومتری پمپ شده با قطر هسته 15 میکرومتر، فیبر پوششی دوگانه Er:ZBLAN با غلظت مولی 7 درصد برای دستیابی به خروجی مدوله‌شده با Q آکوستو-اپتیک فیبر استفاده کردند. لیزر در طول موج 2.8 um با فرکانس تکرار 10 کیلوهرتز و خروجی لیزر با انرژی پالس 46 uJ در فیبر Er:ZBLAN به طول 1.1 متر با پالس حداکثر توان 0.821 کیلووات با عرض پالس 56 ns در سال 2021، آنها از یک فیبر چند حالته Er:ZBLAN با قطر هسته 35um و عرض پالس 26 ns با حداکثر توان 12.7 کیلووات و انرژی پالس 330 uJ استفاده کردند [12].

در 2021، Shen et al. با استفاده از مدولاسیون Q الکترواپتیک به اولین خروجی لیزر پالسی 2.8 میلی متری دست یافت. یک فیبر ZBLAN با قطر هسته 33um دوپ شده با غلظت Er 6 درصد به عنوان محیط افزایش با NA 0.12 استفاده شد و مدولاتور الکترواپتیک به عنوان یک کریستال RTP با عرض پالس 13.1ns انرژی پالس 205.7 انتخاب شد. uJ و حداکثر توان 15.7 کیلووات، که بالاترین توان پیک لیزر فیبر Q مدوله شده Er:ZBLAN است که گزارش شده است.

لیزر فیبر فوق سریع قفل شده با حالت مادون قرمز میانی

فیبرهای دوپ شده با Tm در فیبرهای مبتنی بر سیلیکون برای خروجی لیزرهای 2 میلیمتری وجود دارد، و این فناوری نسبتاً بالغ بوده است، با مشخصات بالاتری که یکی یکی با بلوغ فناوری فیبر و دستگاه به دست می‌آید.

در سال 2018، دانشگاه ینا توان متوسط ​​1000 وات، 256 fs لیزر فوق سریع 2um را با استفاده از فیبر کریستال فوتونیک دوپ شده با Tm با ناحیه میدان مد بزرگ، 50/250-Tm-PM-PCF گزارش کرد. این بالاترین معیار برای آزمایش های مشابه تاکنون است.

برای باند طول موج بالاتر از 2um، بیشتر کارهای تحقیقاتی لیزر فیبر فعلی از فناوری قفل حالت غیرفعال، عمدتاً به شکل جذب اشباع‌پذیر و همچنین اثرات غیرخطی استفاده می‌کنند. اولی از موادی با خاصیت جذب نوری اشباع‌پذیر به‌عنوان دستگاه‌های قفل‌شده در حالت استفاده می‌کند، مانند SESAM، کریستال‌های دوپ‌شده با فلز مانند Fe: ZnSe و غیره، در حالی که دومی از اثرات غیرخطی نوری و ابزارهای دیگر برای تولید جاذب‌های اشباع‌پذیر معادل استفاده می‌کند. چرخش پلاریزاسیون غیرخطی (NPR)، آینه حلقه نوری غیرخطی (NOLM) و غیره.

در سال 2020، Guo و همکاران [14] گزارش کردند که لایه های نازک WSe2 به عنوان SA با استفاده از CVD رشد کرده و به آینه های با روکش طلا منتقل شدند تا WSe{4}}SAM را تشکیل دهند، که بر اساس آن یک پالس قفل شده با عرض پالس 21 ps، فرکانس مجدد 42.43 مگاهرتز و توان متوسط ​​360 مگاوات با استفاده از لیزر 980 نانومتری پمپ شده با غلظت مولی 6 درصد فیبر Er:ZBLAN به دست آمد.

در سال 2022، Qin و همکاران [15] از دانشگاه شانگهای جیائوتونگ ابرشبکه InAs/GaSb SESAM را با استفاده از تکنیک رشد همپایه پرتو مولکولی تهیه کردند که می تواند به طور انعطاف پذیر محدوده پاسخ جاذب قابل اشباع، چگالی انرژی اشباع، و زمان بازیابی و سایر پارامترها را تنظیم کند. خروجی قفل شده در حالت پایدار از یک لیزر فیبر 3.5um Er:ZBLAN با عرض پالس 14.8 ps، توان متوسط ​​149 مگاوات و فرکانس تکرار 36.56 مگاهرتز به دست آورد.

در سال 2019، Qin و همکاران [16] از دانشگاه شانگهای جیائوتنگ، با استفاده از میله‌های Ge برای مدیریت پراکندگی، با انرژی پالس 9.3 nJ و حداکثر توان 43.3 کیلووات، عرض پالس قفل‌شده حالت را به 215 fs کوتاه‌تر کردند.

در سال 2020، گو و همکاران. [17] از دانشگاه شانگهای جیائوتنگ یک پالس سالیتون با خروجی قفل شده در حالت 131 fs، حداکثر توان 22.68 کیلووات و انرژی پالس 3 nJ بر اساس تکنیک NPR برای لیزر فیبر 2.8 میکرومتر Er∶ZBLAN گزارش کرد.

در همان سال، هوانگ و همکاران [18] با پمپاژ 3.3 متر طول فیبر Er:ZBLAN در 980 نانومتر با استفاده از تکنیک NPR، به خروجی قفل شده با عرض پالس 126 fs و انرژی پالس 10 نانوژول دست یافتند. تقویت‌کننده Er: ZBLAN و فیبر غیرخطی ZBLAN پهنای پالس را با حداکثر توان نهایی 500 کیلووات به 15.9 fs فشرده‌تر کردند.

در سال 2022، یو و همکاران [19] یک منبع نور دانه پالسی با عرض پالس 283 fs با استفاده از فیبر Er:ZBLAN به طول 2.4 متر که با غلظت مولی 7 درصد دوپ شده بود، تهیه کردند و با استفاده از تقویت غیرخطی، عرض پالس را تا 59 fs فشرده کردند. ، به دست آوردن یک توان متوسط ​​پالسی تا 4.13 وات، که بالاترین میانگین توان خروجی یک لیزر فیبر قفل شده با حالت زیر صد فمتوثانیه تا به امروز است.

Cنتیجه گیری

لیزر فیبر مادون قرمز میانی، با لیزر فیبر فشرده، تعمیر و نگهداری کمتر، پایداری بالا، کیفیت پرتو بالا و بسیاری از مزایای دیگر، فلوراید، سولفید، هالید، فیبر توخالی و سایر فیبرهای مادون قرمز میانی، از کاربردهای دستگاه فیبر نوری، طیفی و قدرت و دیگر جنبه های توسعه لیزر مادون قرمز اواسط توسعه لیزر مادون قرمز اواسط را تا حد زیادی ترویج کرده است، با مواد مادون قرمز اواسط و فناوری فیبر نوری همچنان به بلوغ می رسد، لیزر فیبر مادون قرمز اواسط با کیفیت بیشتری وجود خواهد داشت. محصولات در دفاع ملی، تحقیقات علمی، تولید صنعتی، مراقبت های پزشکی و سایر زمینه ها نقش بیشتری و بیشتری ایفا کنند.