تحليل متعمق لتكنولوجيا وتطبيقات ليزر الألياف متوسطة الأشعة تحت الحمراء

ليزر متوسط ​​الأشعة تحت الحمراء الذي يبلغ حجمه 2 ميكرون -5 أم له تطبيقاته الفريدة: يغطي هذا النطاق العديد من النوافذ الجوية ، مما يجعله مفيدًا لـ LIDAR ، والاتصالات الجوية ، ونطاق الليزر ، ومعايرة مقاييس الطيف الفلكية فائقة الدقة ، والكشف الإلكتروني البصري ، إلخ [1] ؛ يحتوي النطاق الأوسط للأشعة تحت الحمراء على الخطوط الطيفية المميزة المعروفة باسم "البصمات الجزيئية" ، والتي يمكن استخدامها للسرعة العالية ، والدقة العالية ، والحساسية الطيفية العالية ، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية لقياس مطيافية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة [2] ؛ تتمتع جزيئات الماء الموجودة بالقرب من 3um بقدرة امتصاص قوية بحيث يمكن استخدامها في العديد من العمليات الطبية ؛ يقع في الرابطة التساهمية الجزيئية للنطاق الطيفي للامتصاص ، والتي يمكن استخدامها للكشف عن المحتوى الجزيئي ونوع التعريف الجزيئي ، لتحقيق التصوير الجزيئي وما إلى ذلك.

تشمل مصادر ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المتاحة تجاريًا أشعة الليزر المتذبذبة البارامترية OPO ، ومصادر الضوء الطيفي الفائق السطوع ، وأشعة الليزر المتتالية الكمومية ، والليزر الليفي.

يمكن تقسيم ليزر الألياف متوسط ​​الأشعة تحت الحمراء ، وفقًا لإدراك ألياف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى جوانب نشطة وسلبية ، بما في ذلك بشكل أساسي ليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء استنادًا إلى الأرض النادرة المخدرة ، مثل Er3 plus و Dy3 بالإضافة إلى ليزر الألياف ZBLAN المخدر ؛ ليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء على أساس التأثير غير الخطي ، مثل ليزر رامان ، طيف الليزر الفائق الاستمرارية ؛ استنادًا إلى الألياف الضوئية المجوفة ذات بنية الدليل الموجي الخاصة ، مع الغازات المختلفة لتحقيق أطوال موجية مختلفة. أطوال موجية مختلفة من ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. في السنوات الأخيرة ، مع التطوير المستمر ونضج تقنية ليزر الألياف ، أصبح البحث حول تقنية ليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء ساخنًا ، والتجارب ذات الصلة وتقارير المنتج لا حصر لها ، وهنا نناقش فقط الألياف ذات الطول الموجي الأحادي والتي تعتمد على ليزر الأشعة تحت الحمراء. على اكتساب الألياف النشطة.

Er: الألياف البصرية ZBLAN

Er كعنصر أرضي نادر له بنية غنية بمستوى الطاقة ، يتم تحفيز الجسيمات إلى مستويات طاقة أعلى عن طريق امتصاص الحالة الأرضية عند أطوال موجية للمضخة تبلغ 655 نانومتر و 790 نانومتر و 980 نانومتر ، ويمكن إنتاج انبعاث 1.55 ميكرومتر عن طريق النقل الإشعاعي من مستوى الطاقة 4I13 / 2 إلى مستوى الطاقة 4I15 / 2 ، وانبعاث 2.8 ميكرومتر عن طريق التحويل من مستوى الطاقة 4I11 / 2 إلى مستوى الطاقة 4I13 / 2. يمكن أن ينتج عن قفزة الجسيمات من مستوى الطاقة 4F9 / 2 إلى مستوى الطاقة 4I9 / 2 انبعاث 3.5 ميكرومتر. حاليًا ، هي طريقة شائعة نسبيًا للحصول على 2.8 ميكرون ليزر من ألياف Er: ZBLAN عالية التركيز [4]

يتم استخدام ألياف الفلوريد 2-3 لإخراج الضوء ، ويتم استخدام ألياف الكبريتيد في 3-6. إخراج الضوء 5 ميكرومتر ، ويمكن إخراج أطوال موجية أطول من 6.5 ميكرومتر مع ألياف الهاليد. تتكون ألياف الفلوريد أساسًا من فلوريد الألومنيوم (AlF3) أو ZBLAN (53 بالمائة ZrF 4-20 بالمائة BaF ​​2-4 بالمائة LaF 3-3 بالمائة AlF 3-20 بالمائة NaF) أو فلوريد الإنديوم (InF3) ، وما إلى ذلك كمادة مصفوفة من الألياف الزجاجية متعددة المكونات الفلورايد. أحد ZBLAN هو حاليًا أكثر شيوعًا استخدامًا للألياف الضوئية ، ويمكن تحقيق المنشطات الأرضية النادرة ، نظرًا لأن عملية الربط الانصهار مع الألياف الضوئية القائمة على السيليكون ناضجة نسبيًا ، ويمكن استخدام آلات الربط بالألياف الضوئية التجارية ، ويمكن استخدام ألياف InF و AlF تستخدم كجهاز ألياف بصرية (مثل جهاز تجميع الحزمة) وإنتاج أغطية طرفية من الألياف البصرية. لكن الرطوبة السهلة هي العيب الرئيسي لألياف الفلورايد.

2.8um ليزر متوسط ​​الأشعة تحت الحمراء المستمر

في عام 1988 ، أبلغ بريرلي عن أول ليزر ألياف مخدر 2.7um Er3 بالإضافة إلى [5].

في عام 1999 ، حققت طاقة خرج ليزر الألياف Er: ZBLAN تقدمًا كبيرًا في مقياس الواط ، وحقق جاكسون وآخرون [6] ناتج ليزر يبلغ 1.7 واط باستخدام ألياف ZBLAN المشبعة المشتركة Er3 plus / Pr3 plus.

في القرن الحادي والعشرين ، مع تطور تقنية تحضير الألياف وتقنية الليزر الليفي ، زادت قوة ليزر 3um باند. من بينها ، سجلت جامعة كيوتو في اليابان ، وجامعة أديلايد في أستراليا ، وجامعة لافال في كندا ، وجامعة شنتشن في الصين في المختبر ، تقدمًا تجريبيًا ممتازًا للغاية.

في عام 2015 ، أفاد Fortin et al [7] من جامعة لافال ، كندا ، بوجود ليزر ألياف فلوريد Er3 plus مخدر بطاقة خرج تبلغ 30.5 واط وطول موجي ناتج يبلغ 2938 نانومتر. استخدم النظام محزوزًا من الألياف Bragg يعتمد على الحفر داخل النواة ، أي تم حفر حواجز شبكية عالية ومنخفضة الانعكاس في ألياف ZBLAN و Er: ZBLAN ، على التوالي ، لتشكيل تجويف طنين بطول 10 أمتار ، وتم توصيل طرف ذيل الألياف مع غطاء طرفي AlF3 لتقليل التميع وتحسين ثبات الليزر ، بكفاءة ليزر إجمالية تبلغ 16 بالمائة عند ضخ 980 نانومتر.

في عام 2018 ، أكمل أيدين وآخرون [8] ، جامعة لافال ، كندا ، النقش الشبكي داخل قسم كامل من ألياف Er: ZBLAN ، وحققوا ناتج ليزر يبلغ 41.6 وات عند 2.8 ميكرون باستخدام ليزر ليفي مستمر في وضع الضخ المزدوج . هذه هي أعلى طاقة خرج معروفة تم الإبلاغ عنها لليزر الألياف متوسط ​​الأشعة تحت الحمراء Er: ZBLAN.

في 2 0 21 ، أبلغ Chunyu Guo وآخرون [10] من جامعة Shenzhen عن أول خرج ليزر متوسط ​​تحت الحمراء يبلغ 2.8um بهيكل من الألياف بالكامل بقوة 20 وات في الصين. Er3 plus: يبلغ قطر الألياف المخدرة ZrF4 15 ميكرومترًا ، وفتحة عددية NA تبلغ حوالي 0.12 ، ويبلغ إجمالي طولها 6.5 مترًا ، ومعامل امتصاص يبلغ 2-3 ديسيبل / م @ 976 نانومتر ، وشبكة عالية الانعكاس (99 بالمائة HR-FBG) وشبكة منخفضة الانعكاس (10 بالمائة OC-FBG) منقوشة مباشرة على ألياف مكاسب ، بطول موجة مركزي يبلغ 2825 نانومتر ، مما يشكل تجويفًا رنينيًا مع ألياف Er. كما يظهر في الشكل. أغطية طرفية من الألياف AlF3. تبلغ كفاءة التحويل البصري إلى البصري 14.5 بالمائة عندما تكون طاقة المضخة 140 واط ، 输出 功率 20.3 واط @ 2.8 ميكرومتر.

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]

بعد سنوات من الجهود ، قام عمال الليزر الليفي بتحسين معالجة الألياف متوسطة الأشعة تحت الحمراء إلى حد كبير ، والاستخدام الحالي لمعدات معالجة الألياف التجارية الخاصة ، يمكنك الحصول على فقد أقل للانصهار ، ويستخدم في المطابق الميداني لوضع الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، والمدمج / الفاصل ، وغطاء الإخراج ، ومجموعة متنوعة من الأجهزة الأخرى ، وذلك لإطلاق هيكل الألياف بالكامل على مستوى المنتج لمصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء الأوسط.

ليزر الألياف Q النابض بالأشعة تحت الحمراء

في 2 0 20 ، استخدم Sojka وآخرون [11] 30 واط 975 نانومتر ليزر بقطر 15 ميكرومتر ، تركيز مولاري بنسبة 7 بالمائة Er: ZBLAN ألياف تكسية مزدوجة لتحقيق خرج صوتي بصري معدَّل على شكل Q من الألياف ليزر بطول موجة 2.8 um بتردد تكرار يبلغ 10 كيلو هرتز ، وإخراج ليزر بطاقة نبضية تبلغ 46 uJ في طول 1. 1 متر Er: ألياف ZBLAN مع نبضة طاقة قصوى تبلغ 0.821 كيلو واط مع a عرض النبضة 56 نانوثانية. في عام 2021 ، استخدموا ألياف Er: ZBLAN متعددة الأنماط بقطر مركزي يبلغ 35 ميكرومتر وعرض نبضة 26 نانوثانية بقوة ذروة تبلغ 12.7 كيلو واط وطاقة نبضية قدرها 330 يو جول [12].

في 2 0 21 ، Shen et al. حقق أول خرج ليزر نابض يبلغ 2.8um باستخدام تعديل Q الكهروضوئي. تم استخدام ألياف ZBLAN بقطر أساسي يبلغ 33 ميكرومتر مع تركيز Er بنسبة 6 في المائة كوسيط كسب مع NA 0.12 ، وتم اختيار المغير الكهروضوئي ليكون بلورة RTP بعرض نبضة يبلغ 13.1 نانو ثانية من طاقة النبض 205.7 uJ وقوة ذروة تبلغ 15.7 كيلو وات ، وهي أعلى قوة ذروة عرف عنها الليزر الليفي Q المعدل بـ Er: ZBLAN.

ليزر ليف فائق السرعة مغلق بوضع الأشعة تحت الحمراء

توجد ألياف مخدرة Tm في الألياف القائمة على السيليكون لإنتاج 2um من الليزر ، وكانت التكنولوجيا ناضجة نسبيًا ، حيث يتم تحقيق مواصفات أعلى واحدة تلو الأخرى مع نضوج تقنيات الألياف والأجهزة.

في عام 2018 ، أبلغت جامعة Jena عن متوسط ​​قدرة 1000 واط ، و 256 fs من 2um من الليزر فائق السرعة باستخدام ألياف بلورية ضوئية من نوع Tm-doped مع منطقة حقل وضع كبيرة ، 50 / 250- Tm-PM-PCF. هذا هو أعلى مقاييس لتجارب مماثلة حتى الآن.

بالنسبة لنطاق الطول الموجي الذي يزيد عن 2um ، تعتمد معظم أعمال البحث الحالية عن ليزر الألياف تقنية قفل الوضع السلبي ، بشكل أساسي في شكل امتصاص قابل للإشباع بالإضافة إلى تأثيرات غير خطية. يستخدم الأول مواد ذات خصائص امتصاص قابلة للتشبع بصريًا مثل الأجهزة المغلقة بالوضع ، مثل SESAM ، والبلورات المغطاة بالمعادن مثل Fe: ZnSe ، وما إلى ذلك ، بينما يستخدم الأخير تأثيرات بصرية غير خطية ووسائل أخرى لتوليد ممتصات قابلة للتشبع مكافئة ، مثل دوران الاستقطاب اللاخطي (NPR) ، مرآة الحلقة الضوئية غير الخطية (NOLM) ، إلخ.

في عام 2020 ، أفاد Guo et al [14] أن الأغشية الرقيقة WSe2 نمت على أنها SA باستخدام CVD وتم نقلها إلى مرايا مطلية بالذهب لتكوين WSe 2- SAM ، والذي يعتمد على نبضة قفل الوضع بعرض نبضة يبلغ 21 ps ، إعادة تردد 42. 43 ميجا هرتز ، ومتوسط ​​قدرة 360 ميجاوات تم تحقيقه باستخدام ليزر 980 نانومتر تم ضخه بتركيز مولاري بنسبة 6 بالمائة من ألياف Er: ZBLAN.

في عام 2022 ، أعد Qin et al [15] من جامعة Shanghai Jiaotong SESAM InAs / GaSb superlattice SESAM باستخدام تقنية نمو الحزمة الجزيئية فوق المحورية ، والتي يمكنها ضبط نطاق الاستجابة للامتصاص القابل للإشباع وكثافة طاقة التشبع ووقت الاسترداد والمعلمات الأخرى بمرونة ، و حقق إخراجًا مستقرًا مغلقًا للوضع من ليزر ليفي 3.5um Er: ZBLAN بعرض نبضة 14.8 ps ، ومتوسط ​​طاقة 149 mW ، وتردد تكرار يبلغ 36.56 MHz.

في عام 2019 ، قام Qin et al [16] من جامعة Shanghai Jiaotong بتقصير عرض النبضة المغلق بالنمط إلى 215 fs باستخدام قضبان Ge لإدارة التشتت ، مع طاقة نبضية قدرها 9.3 nJ وقوة ذروة تبلغ 43.3 kW.

في عام 2020 ، قدم Gu et al. [17] من جامعة شنغهاي جياوتونغ أبلغت عن نبضة سوليتون بإخراج مغلق بالوضع 131 fs ، و 22.68 كيلوواط ذروة الطاقة ، و 3 نيوجول طاقة نبضية تعتمد على تقنية NPR لليزر ألياف Er∶ZBLAN 2.8 ميكرومتر.

في نفس العام ، حقق Huang et al [18] خرجًا مغلقًا للنمط بعرض نبضة قدره 126 fs وطاقة نبضية 10 nJ عن طريق ضخ ألياف Er: ZBLAN بطول 3.3 متر عند 980 نانومتر باستخدام تقنية NPR ، و ضغط مضخم Er: ZBLAN والألياف غير الخطية ZBLAN عرض النبضة إلى 15.9 fs ، مع قوة نبضة نهائية تبلغ 500 كيلو وات.

في عام 2022 ، أعد Yu et al [19] مصدر ضوء نبضي ببذرة بعرض نبضة يبلغ 283 fs باستخدام ألياف Er: ZBLAN بطول 2.4 متر مخدر بتركيز مولاري بنسبة 7 في المائة ، ثم ضغط عرض النبضة إلى 59 fs باستخدام التضخيم غير الخطي ، الحصول على متوسط ​​طاقة نبضي يصل إلى 4.13 واط ، وهو أعلى متوسط ​​طاقة خرج ليزر ليفي مقفل بأسلوب أقل من مائة فيمتوثانية حتى الآن.

Cعند الاستنتاج

ليزر الألياف متوسطة الأشعة تحت الحمراء ، مع ألياف الليزر المدمجة ، وصيانة أقل ، وثبات عالٍ ، وجودة شعاع عالية والعديد من المزايا الأخرى ، والفلوريد ، والكبريتيد ، والهاليد ، والألياف المجوفة وغيرها من الألياف متوسطة الأشعة تحت الحمراء ، من تطبيقات الطاقة والطيفية والألياف البصرية ، وعززت جوانب أخرى من تطوير ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بشكل كبير تطوير ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، مع استمرار نضج المواد التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة وتكنولوجيا الألياف البصرية ، وسيكون هناك المزيد من الليزر عالي الجودة الذي يعمل بالألياف تحت الحمراء المتوسطة المنتجات التي ستظهر في الدفاع الوطني والبحث العلمي والتصنيع الصناعي والرعاية الطبية وغيرها من المجالات لتلعب دورًا أكبر وأكبر.