การวิเคราะห์เชิงลึกของเทคโนโลยีและการประยุกต์ใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ช่วงกลางอินฟราเรด

เลเซอร์อินฟราเรดกลาง 2um-5um มีการใช้งานเฉพาะของตัวเอง: แถบนี้ครอบคลุมหน้าต่างบรรยากาศหลายหน้าต่าง ทำให้มีประโยชน์สำหรับ LIDAR, การสื่อสารในบรรยากาศ, การวัดระยะของเลเซอร์, การสอบเทียบสเปกโตรมิเตอร์ทางดาราศาสตร์ความละเอียดสูงพิเศษ และการตรวจจับด้วยออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ [1]; แถบความถี่อินฟราเรดกลางมีเส้นสเปกตรัมลักษณะเฉพาะที่เรียกว่า "รอยนิ้วมือระดับโมเลกุล" ซึ่งสามารถใช้สำหรับความเร็วสูง ความละเอียดสูง ความไวของสเปกตรัมสูง อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงของการวัดด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดช่วงกลาง [2] ; โมเลกุลของน้ำในบริเวณใกล้เคียงกับ 3um มีจุดสูงสุดในการดูดซึมที่แข็งแกร่ง จึงสามารถใช้ในทางการแพทย์ได้หลายอย่าง ตั้งอยู่ในพันธะโควาเลนต์ระดับโมเลกุลของแถบสเปกตรัมการดูดกลืน ซึ่งสามารถใช้สำหรับการตรวจจับเนื้อหาของโมเลกุลและการระบุชนิดของโมเลกุล เพื่อให้บรรลุการถ่ายภาพระดับโมเลกุลและอื่นๆ

แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์อินฟราเรดกลางที่มีจำหน่ายทั่วไป ได้แก่ เลเซอร์ OPO พาราเมตริกออสซิลเลตติ้ง แหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมความต่อเนื่องยิ่งยวด เลเซอร์ควอนตัมคาสเคด และไฟเบอร์เลเซอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์อินฟราเรดกลาง ตามการรับรู้ของไฟเบอร์อินฟราเรดกลางสามารถแบ่งออกเป็นด้านแอคทีฟและพาสซีฟ ส่วนใหญ่รวมถึงเลเซอร์อินฟราเรดกลางตามธาตุหายากเจือ เช่น Er3 บวก , Dy3 บวก ZBLAN ไฟเบอร์เลเซอร์เจือ ; เลเซอร์อินฟราเรดกลางที่อิงตามเอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น เช่น เลเซอร์รามาน สเปกตรัมความต่อเนื่องยิ่งยวดของเลเซอร์ ขึ้นอยู่กับใยแก้วนำแสงแกนกลวงที่มีโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบพิเศษ พร้อมด้วยก๊าซต่างๆ เพื่อให้ได้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลาง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและการเติบโตของเทคโนโลยีไฟเบอร์เลเซอร์ การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลางนั้นร้อนแรง การทดลองที่เกี่ยวข้องและรายงานผลิตภัณฑ์นั้นไม่มีที่สิ้นสุด และในที่นี้เราจะพูดถึงเฉพาะเลเซอร์ไฟเบอร์อินฟราเรดกลางความยาวคลื่นเดียวที่ใช้พื้นฐาน เมื่อได้รับเส้นใยที่ใช้งานอยู่

Er: ไฟเบอร์ออปติก ZBLAN

Er เนื่องจากธาตุหายากมีโครงสร้างระดับพลังงานที่เข้มข้น อนุภาคจึงตื่นเต้นกับระดับพลังงานที่สูงขึ้นโดยการดูดกลืนสถานะพื้นดินที่ความยาวคลื่นปั๊มที่ 655 นาโนเมตร 790 นาโนเมตร และ 980 นาโนเมตร และการแผ่รังสี 1.55 um สามารถเกิดขึ้นได้จากการถ่ายโอนการแผ่รังสีจาก ระดับพลังงาน 4I13/2 ถึงระดับพลังงาน 4I15/2 และการปล่อยก๊าซ 2.8 um โดยการถ่ายโอนจากระดับพลังงาน 4I11/2 ไปยังระดับพลังงาน 4I13/2 อนุภาคที่กระโดดจากระดับพลังงาน 4F9/2 ไปยังระดับพลังงาน 4I9/2 สามารถสร้างการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ 3.5um ปัจจุบัน เป็นวิธีการที่ค่อนข้างกระแสหลักในการรับเลเซอร์ 2.8um จากเส้นใย Er: ZBLAN ที่เจือด้วยความเข้มข้นสูง [4]

ไฟเบอร์ฟลูออไรด์ใช้สำหรับเอาต์พุตแสง 2-3um ซัลไฟด์ไฟเบอร์ใช้สำหรับเอาต์พุตแสง 3-6.5um และความยาวคลื่นที่ยาวกว่า 6.5um สามารถส่งออกด้วยไฟเบอร์เฮไลด์ เส้นใยฟลูออไรด์ส่วนใหญ่เป็นอะลูมิเนียมฟลูออไรด์ (AlF3), ZBLAN (53 เปอร์เซ็นต์ ZrF4-20 เปอร์เซ็นต์ BaF2-4 เปอร์เซ็นต์ LaF3-3 เปอร์เซ็นต์ AlF3-20 เปอร์เซ็นต์ NaF) หรืออินเดียมฟลูออไรด์ (InF3) ฯลฯ เป็นวัสดุเมทริกซ์ของใยแก้วที่มีองค์ประกอบหลายองค์ประกอบที่มีฟลูออไรด์ หนึ่งใน ZBLAN คือใยแก้วนำแสงที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน การเติมธาตุหายากสามารถทำได้ เนื่องจากกระบวนการประกบฟิวชันด้วยใยแก้วนำแสงที่ใช้ซิลิกอนนั้นค่อนข้างโตเต็มที่ สามารถใช้เครื่องประกบใยแก้วนำแสงเชิงพาณิชย์ได้ สามารถใช้เส้นใย InF และ AlF ได้ ใช้เป็นอุปกรณ์ใยแก้วนำแสง (เช่น ตัวรวมลำแสง) และการผลิตฝาท้ายใยแก้วนำแสง แต่ความชื้นง่ายเป็นข้อเสียเปรียบหลักของฟลูออไรด์ไฟเบอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์แบบต่อเนื่องกลางอินฟราเรด 2.8um

ในปี พ.ศ. 2531 Brierley ได้รายงานเลเซอร์ไฟเบอร์ Er3 ขนาด 2.7um บวกกับสารเจือปนเป็นครั้งแรก[5]

ในปี 1999 กำลังเอาต์พุตของไฟเบอร์เลเซอร์ Er:ZBLAN ประสบความสำเร็จในระดับวัตต์ และ Jackson et al[6] ได้รับเอาต์พุตเลเซอร์ที่ 1.7 W โดยใช้ไฟเบอร์ Er3 plus / Pr3 บวก ZBLAN ที่เจือด้วยสารร่วม

ในศตวรรษที่ 21 ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมไฟเบอร์และเทคโนโลยีไฟเบอร์เลเซอร์ พลังของเลเซอร์ 3um-band ก็เพิ่มขึ้นอีก ในหมู่พวกเขา มหาวิทยาลัยเกียวโตในญี่ปุ่น มหาวิทยาลัยแอดิเลดในออสเตรเลีย มหาวิทยาลัยลาวาลในแคนาดา และมหาวิทยาลัยเซินเจิ้นในประเทศจีนในห้องทดลองได้รายงานความก้าวหน้าในการทดลองที่ยอดเยี่ยมมาก

ในปี พ.ศ. 2558 Fortin et al [7] จากมหาวิทยาลัยลาวาล ประเทศแคนาดา รายงานเลเซอร์ไฟเบอร์ฟลูออไรด์เจือ Er3 พร้อมกำลังขับ 30.5 W และความยาวคลื่นเอาต์พุต 2938 นาโนเมตร ระบบใช้ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg ตามการแกะสลักภายในแกน กล่าวคือ มีการฝังตะแกรงสะท้อนแสงสูงและต่ำในเส้นใย ZBLAN และ Er:ZBLAN ตามลำดับ เพื่อสร้างช่องเรโซแนนซ์ยาว 10 เมตร และปลายหางไฟเบอร์เชื่อมต่อกัน พร้อมหัวปิด AlF3 เพื่อลดความค้างชำระและปรับปรุงความเสถียรของเลเซอร์ ด้วยประสิทธิภาพเลเซอร์โดยรวม 16 เปอร์เซ็นต์ที่การปั๊ม 980 นาโนเมตร

ในปี 2018 Aydin et al [8] มหาวิทยาลัย Laval ประเทศแคนาดา เสร็จสิ้นการแกะสลักตะแกรงภายในส่วนทั้งหมดของเส้นใย Er:ZBLAN และได้รับเอาต์พุตเลเซอร์ 41.6 W ที่ 2.8 um โดยใช้เลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่องในโหมดปั๊มคู่ . นี่คือกำลังเอาท์พุตสูงสุดที่ทราบกันดีของเลเซอร์ไฟเบอร์อินฟราเรดช่วงกลาง Er:ZBLAN

ในวันที่ 2021 ปี Chunyu Guo et al[10] จากมหาวิทยาลัยเซินเจิ้นรายงานเลเซอร์เอาท์พุตอินฟราเรดกลางขนาด 2.8um ตัวแรกที่มีโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดที่กำลังไฟ 20W ในประเทศจีน เส้นใยเจือ Er3 plus :ZrF4 ที่ใช้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 15um ตัวเลขรูรับแสง NA ประมาณ 0.12 ความยาวรวม 6.5 ม. ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง 2-3dB/m@976nm และตะแกรงสะท้อนแสงสูง (HR-FBG 99 เปอร์เซ็นต์) และตะแกรงสะท้อนแสงต่ำ (10 เปอร์เซ็นต์ OC-FBG) ที่จารึกไว้โดยตรงบนเส้นใยเกนที่มีความยาวคลื่นศูนย์กลาง 2825 นาโนเมตร ซึ่งสร้างช่องเรโซแนนซ์ด้วยเส้นใย Er ดังแสดงในรูป ▼ กระบวนการฟิวชันพันธะของเส้นใยซิลิกอนและ ZBLAN รวมถึงกระบวนการฟิวชันพันธะของฝาปิดท้ายและเส้นใยแบบพาสซีฟได้รับการพัฒนาโดยอิสระโดยทีมงานของนักข่าว ซึ่งประดิษฐ์ตัวกรองแสงที่หุ้มและ ฝาปิดท้ายไฟเบอร์ AlF3 ประสิทธิภาพการแปลงแสงเป็นแสงคือ 14.5 เปอร์เซ็นต์เมื่อกำลังปั๊ม 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]

หลังจากหลายปีของความพยายาม พนักงานไฟเบอร์เลเซอร์ ได้เพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลของไฟเบอร์อินฟราเรดกลางอย่างมาก การใช้อุปกรณ์การประมวลผลไฟเบอร์พิเศษเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน คุณจะได้รับการสูญเสียฟิวชันที่ลดลง มีการใช้ในฟิลด์จับคู่โหมดอินฟราเรดกลาง ตัวรวม/ตัวแยกสัญญาณ ฝาปิดปลายเอาต์พุต และอุปกรณ์อื่นๆ อีกหลากหลาย เพื่อเปิดตัวโครงสร้างไฟเบอร์ออลไฟเบอร์ในระดับผลิตภัณฑ์ของแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดกลาง

เลเซอร์ไฟเบอร์ Q-pulsed อินฟราเรดกลาง

ใน 2020, Sojka et al [11] ใช้เลเซอร์ 30 วัตต์ 975 นาโนเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางแกน 15 um, ความเข้มข้นโมลาร์ 7 เปอร์เซ็นต์ Er:ZBLAN เส้นใยหุ้มสองชั้นเพื่อให้ได้เอาต์พุตอะคูสติกออปติก Q-มอดูเลตของเส้นใย เลเซอร์ที่ความยาวคลื่น 2.8 um ที่ความถี่การทำซ้ำ 10 kHz และเอาต์พุตเลเซอร์ที่มีพลังงานพัลส์ 46 uJ ในเส้นใย Er:ZBLAN ยาว 1.1 ม. ที่มีพลังงานพัลส์สูงสุด 0. 821 kW พร้อม a ความกว้างของพัลส์ 56 ns ในปี 2021 พวกเขาใช้ไฟเบอร์มัลติโหมด Er:ZBLAN ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 35um และความกว้างพัลส์ 26 ns โดยมีกำลังสูงสุด 12.7 kW และพลังงานพัลส์ 330 uJ [12]

ในปี 2021 Shen และคณะ บรรลุเอาต์พุตเลเซอร์พัลซิ่งแรกที่ 2.8um โดยใช้การมอดูเลต Q แบบอิเล็กโทรออปติก ไฟเบอร์ ZBLAN ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 33um เจือด้วย Er ความเข้มข้น 6 เปอร์เซ็นต์ถูกใช้เป็นสื่ออัตราขยายที่มี NA 0.12 และโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกถูกเลือกให้เป็นคริสตัล RTP ที่มีความกว้างพัลส์ 13.1ns พลังงานพัลส์ 205.7 uJ และกำลังสูงสุด 15.7kW ซึ่งเป็นกำลังสูงสุดสูงสุด Er:ZBLAN มอดูเลต Q ไฟเบอร์เลเซอร์ที่ทราบกันดีว่ามีการรายงาน

ไฟเบอร์เลเซอร์ความเร็วสูงแบบล็อคโหมดมิดอินฟราเรด

มีเส้นใยที่เจือด้วย Tm ในเส้นใยที่มีส่วนประกอบของซิลิกอนสำหรับเอาต์พุตของเลเซอร์ 2um และเทคโนโลยีนี้ค่อนข้างพัฒนาเต็มที่แล้ว โดยมีข้อกำหนดที่สูงขึ้นทีละอย่างเมื่อเทคโนโลยีไฟเบอร์และอุปกรณ์เติบโตเต็มที่

ในปี 2018 มหาวิทยาลัย Jena รายงานกำลังเฉลี่ย 1,000 W, 256 fs ของเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ 2um ที่ใช้เส้นใยคริสตัลโทนิคเจือ Tm พร้อมพื้นที่ฟิลด์โหมดขนาดใหญ่ 50/250-Tm-PM-PCF นี่เป็นเมตริกสูงสุดสำหรับการทดสอบที่คล้ายกันจนถึงตอนนี้

สำหรับแถบความยาวคลื่นที่สูงกว่า 2um งานวิจัยไฟเบอร์เลเซอร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีการล็อคโหมดแบบพาสซีฟ โดยส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบของการดูดกลืนอิ่มตัวเช่นเดียวกับผลกระทบที่ไม่เชิงเส้น แบบแรกใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติการดูดซับที่อิ่มตัวทางแสงเป็นอุปกรณ์ล็อกโหมด เช่น SESAM, คริสตัลเจือด้วยโลหะ เช่น Fe: ZnSe เป็นต้น ในขณะที่แบบหลังใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นแบบออปติกและวิธีการอื่นๆ เพื่อสร้างตัวดูดซับที่อิ่มตัวเทียบเท่า เช่น การหมุนโพลาไรเซชันแบบไม่เชิงเส้น (NPR), กระจกลูปออปติคอลแบบไม่เชิงเส้น (NOLM) ฯลฯ

ในปี 2020 Guo et al [14] รายงานว่าฟิล์มบาง WSe2 ถูกปลูกเป็น SA โดยใช้ CVD และถ่ายโอนไปยังกระจกเคลือบทองเพื่อสร้าง WSe2-SAM ซึ่งขึ้นอยู่กับพัลส์ล็อคโหมดที่มีความกว้างพัลส์ 21 ps, ความถี่ซ้ำ 42.43 MHz และพลังงานเฉลี่ย 360 mW ทำได้โดยใช้เลเซอร์ขนาด 980 นาโนเมตรที่สูบด้วยเส้นใย Er:ZBLAN ที่มีความเข้มข้นโมลาร์ 6 เปอร์เซ็นต์

ในปี 2565 Qin et al [15] จากมหาวิทยาลัย Shanghai Jiaotong ได้เตรียม InAs/GaSb superlattice SESAM โดยใช้เทคนิคการเติบโตของลำแสง epitaxial ของลำแสงโมเลกุล ซึ่งสามารถปรับช่วงการตอบสนองของตัวดูดซับที่อิ่มตัวได้ ความหนาแน่นของพลังงานอิ่มตัว และเวลาในการฟื้นตัวและพารามิเตอร์อื่นๆ อย่างยืดหยุ่น และ ได้รับเอาต์พุตที่ล็อกโหมดเสถียรจากไฟเบอร์เลเซอร์ Er:ZBLAN 3.5um ที่มีความกว้างพัลส์ 14.8 ps กำลังเฉลี่ย 149 mW และความถี่การทำซ้ำที่ 36.56 MHz

ในปี 2019 Qin et al [16] จากมหาวิทยาลัย Shanghai Jiaotong ได้ลดความกว้างของพัลส์ที่ล็อกโหมดให้สั้นลงเหลือ 215 fs โดยใช้แท่ง Ge สำหรับการจัดการการกระจาย โดยมีพลังงานพัลส์ 9.3 nJ และกำลังสูงสุด 43.3 กิโลวัตต์

ในปี 2020 Gu et al. [17] จากมหาวิทยาลัย Shanghai Jiaotong รายงานโซลิตันพัลส์ที่มีเอาต์พุตล็อกโหมด 131 fs กำลังสูงสุด 22.68 กิโลวัตต์ และพลังงานพัลส์ 3 nJ ตามเทคนิค NPR สำหรับไฟเบอร์เลเซอร์ Er∶ZBLAN ขนาด 2.8 μm

ในปีเดียวกัน Huang et al [18] ประสบความสำเร็จในเอาต์พุตโหมดล็อกที่มีความกว้างพัลส์ 126 fs และพลังงานพัลส์ 10 nJ โดยการปั๊ม Er: ZBLAN ยาว 3.3 ม. ที่ 980 นาโนเมตรโดยใช้เทคนิค NPR และ แอมพลิฟายเออร์ Er: ZBLAN และไฟเบอร์แบบไม่เชิงเส้น ZBLAN บีบอัดความกว้างพัลส์เพิ่มเติมเป็น 15.9 fs โดยมีกำลังพัลส์สูงสุดสุดท้ายที่ 500 กิโลวัตต์

ในปี พ.ศ. 2565 Yu et al [19] ได้เตรียมแหล่งกำเนิดแสงเมล็ดพัลส์ที่มีความกว้างพัลส์ 283 fs โดยใช้เส้นใย Er:ZBLAN ยาว 2.4 ม. ที่เจือด้วยความเข้มข้นโมลาร์ 7 เปอร์เซ็นต์ และบีบอัดความกว้างพัลส์เพิ่มเติมเป็น 59 fs โดยใช้การขยายแบบไม่เชิงเส้น โดยได้รับกำลังเฉลี่ยพัลซิ่งสูงถึง 4.13 W ซึ่งเป็นกำลังขับเฉลี่ยสูงสุดของไฟเบอร์เลเซอร์ที่ล็อคโหมดต่ำกว่าร้อยเฟมโตวินาทีจนถึงปัจจุบัน

Cการรวม

ไฟเบอร์เลเซอร์กลางอินฟราเรดพร้อมไฟเบอร์เลเซอร์ขนาดกะทัดรัด การบำรุงรักษาน้อย ความเสถียรสูง คุณภาพของลำแสงสูงและข้อดีอื่นๆ อีกมากมาย ฟลูออไรด์ ซัลไฟด์ ฮาไลด์ ไฟเบอร์กลวง และไฟเบอร์อินฟราเรดกลางอื่นๆ จากพลังงาน สเปกตรัม การใช้งานอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติก และด้านอื่น ๆ ของการพัฒนาเลเซอร์อินฟราเรดกลางได้ส่งเสริมการพัฒนาเลเซอร์อินฟราเรดกลางอย่างมาก ด้วยวัสดุอินฟราเรดกลางและเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงที่เติบโตอย่างต่อเนื่อง จะมีเลเซอร์ไฟเบอร์อินฟราเรดกลางคุณภาพสูงมากขึ้น ผลิตภัณฑ์ที่จะออกมาในการป้องกันประเทศ, การวิจัยทางวิทยาศาสตร์, การผลิตทางอุตสาหกรรม, การรักษาพยาบาล, และสาขาอื่น ๆ ให้มีบทบาทมากขึ้น