2um-5um 中赤外レーザーには独自のユニークな用途があります。この帯域はいくつかの大気窓をカバーしており、LIDAR、大気通信、レーザー測距、超高解像度天文分光計の校正、および光電子検出に役立ちます。など[1]。 中赤外帯域には「分子指紋」として知られる特徴的なスペクトル線が含まれており、高速、高分解能、高スペクトル感度、高信号対雑音比の中赤外分光測定に使用できます [2] ; 3um付近の水分子は強い吸収ピークを持っているため、多くの医療手術に使用できます。 吸収スペクトルバンドの分子共有結合に位置しており、分子含有量の検出や分子タイプの同定、分子イメージングなどの実現に使用できます。
市販の中赤外レーザー源には、OPO パラメトリック発振レーザー、スーパーコンティニューム スペクトル光源、量子カスケード レーザー、ファイバー レーザーなどがあります。
中赤外ファイバーレーザーは、中赤外ファイバーの実現に従って、アクティブとパッシブの側面に分けることができ、主にEr3プラス、Dy3プラスドープZBLANファイバーレーザーなどのドープ希土類ベースの中赤外レーザーが含まれます。 ; ラマンレーザー、レーザーのスーパー連続スペクトルなどの非線形効果に基づく中赤外レーザー。 特殊な導波路構造を持つ中空コア光ファイバーをベースにしており、異なるガスを使用して異なる波長を実現します。 中赤外レーザーの波長の違い。 近年、ファイバーレーザー技術の継続的な開発と成熟に伴い、中赤外レーザー技術に関する研究が盛んに行われており、関連する実験や製品レポートは後を絶ちません。ここでは、単一波長の中赤外ファイバーレーザーベースについてのみ説明します。アクティブファイバーを獲得します。
Er: ZBLAN 光ファイバー
希土類元素である Er は豊富なエネルギー準位構造を持ち、粒子は 655 nm、790 nm、および 980 nm のポンプ波長での基底状態吸収によってより高いエネルギー準位に励起され、からの放射伝達によって 1.55 um の発光を生成できます。 4I13/2 エネルギー準位から 4I15/2 エネルギー準位へ、および 4I11/2 エネルギー準位から 4I13/2 エネルギー準位への移行により 2.8 um の放射が得られます。 4F9/2 エネルギー レベルから 4I9/2 エネルギー レベルへの粒子ジャンプにより、3.5um の放射が発生する可能性があります。 現在、高濃度ドープ Er:ZBLAN ファイバーから 2.8um 発振を得る方法が比較的主流となっています [4]。
フッ化物ファイバーは2-3umの光出力に使用され、硫化物ファイバーは3-6.5umの光出力に使用され、6.5umより長い波長はハロゲン化物ファイバーで出力できます。 フッ化物繊維は主にフッ化アルミニウム (AlF3)、ZBLAN (53 パーセント ZrF4-20 パーセント BaF2-4 パーセント LaF3-3 パーセント AlF3-20 パーセント NaF)、またはフッ化インジウム (InF3) です。フッ素多成分ガラス繊維のマトリックス材として、、、など。 ZBLANの1つは現在より一般的に使用されている光ファイバであり、シリコンベースの光ファイバとの融着接続プロセスが比較的成熟しているため、希土類ドーピングを実現でき、市販の光ファイバ融着接続機を使用でき、InFおよびAlFファイバを使用できます。光ファイバーデバイス (ビームコンバイナーなど) および光ファイバーエンドキャップの製造として使用されます。 しかし、フッ素繊維の最大の欠点は湿気に弱いことです。
2.8um中赤外連続ファイバーレーザー
1988 年に、Brierley は最初の 2.7um Er3 プラスドープファイバーレーザーを報告しました [5] 。
1999 年、Er:ZBLAN ファイバー レーザーの出力はワット スケールで画期的な進歩を達成し、Jackson et al[6] は Er3 プラス / Pr3 プラス共ドープ ZBLAN ファイバーを使用して 1.7 W のレーザー出力を達成しました。
21世紀に入り、ファイバー作製技術やファイバーレーザー技術の発展により、3um帯レーザーの出力はさらに向上しました。 中でも、日本の京都大学、オーストラリアのアデレード大学、カナダのラヴァル大学、中国の深セン大学の研究室では、非常に優れた実験の進歩が報告されています。
2015 年、カナダのラヴァル大学の Fortin ら [7] は、出力 30.5 W、出力波長 2938 nm の Er3 プラスドープフッ化物ファイバーレーザーを報告しました。 このシステムは、コア内エッチングに基づくファイバーブラッググレーティングを使用しました。つまり、高反射グレーティングと低反射グレーティングがそれぞれ ZBLAN ファイバーと Er:ZBLAN ファイバーにエッチングされて、長さ 10 m の共振空洞を形成し、ファイバーの終端が接続されました。 AlF3 エンドキャップを使用して潮解性を軽減し、レーザーの安定性を向上させ、980 nm ポンピングでの合計レーザー効率は 16% です。
2018年、カナダのラヴァル大学のAydinら[8]は、Er:ZBLANファイバーの全セクション内の回折格子エッチングを完了し、デュアル励起モードの連続ファイバーレーザーを使用して2.8μmで41.6Wのレーザー出力を達成した。 。 これは、Er:ZBLAN 中赤外ファイバー レーザーの既知の最高出力出力です。
2021年に、深セン大学のChunyu Guoら[10]は、中国で初めてオールファイバー構造で出力20Wの2.8um中赤外レーザー出力を報告した。 使用される Er3 プラス:ZrF4 ドープ ファイバは、直径 15um、開口数 NA 約 0.12、全長 6.5m、吸収係数 2-3dB/m@976nm、および高反射回折格子を備えています。 (99 パーセント HR-FBG) と、利得ファイバーに直接刻み込まれた低反射回折格子 (10 パーセント OC-FBG) で、中心波長は 2825 nm で、Er ファイバーと共振空洞を形成します。 図▼に示すように、シリコンベースとZBLANファイバの融着プロセス、およびエンドキャップとパッシブファイバの融着プロセスは、クラッド光フィルタとパッシブファイバを製作した記者チームが独自に開発したものである。 AlF3ファイバーエンドキャップ。 ポンプパワーが 140W、出力電力が 20.3W@2.8um の場合、光から光への変換効率は 14.5% です。
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]
ファイバーレーザー作業者は長年の努力を経て、中赤外線ファイバーの加工を大幅に最適化し、現在市販の特殊ファイバー加工装置を使用することで、より低い融着損失を得ることができ、中赤外線モードのフィールドマッチャー、コンバイナー/スプリッターに使用されています。 、出力エンドキャップ、その他のさまざまなデバイスを使用して、製品レベルのオールファイバー構造の中赤外光源を発売します。
中赤外Qパルスファイバーレーザー
2020 年に、Sojka ら [11] は、30 W 975 nm レーザー励起、コア直径 15 um、モル濃度 7 パーセントの Er:ZBLAN ダブルクラッド ファイバーを使用して、ファイバーの音響光学 Q 変調出力を達成しました。 10 kHzの繰り返し周波数で2.8 umの波長のレーザー、および1. 1 mの長さのEr:ZBLANファイバー内で46 uJのパルスエネルギーのレーザー出力、ピークパワー0. 821 kWのパルス、パルス幅は56ns。 2021年には、コア径35um、パルス幅26ns、ピークパワー12.7kW、パルスエネルギー330uJのEr:ZBLANマルチモードファイバーを使用した[12]。
2021 では、Shen ら。 電気光学Q変調を使用して2.8μmの最初のパルスレーザー出力を達成しました。 Er 濃度 6% でドープされたコア直径 33um の ZBLAN ファイバーを NA 0.12 の利得媒体として使用し、電気光学変調器にはパルス幅 13.1ns、パルスエネルギー 205.7ns の RTP 結晶を選択しました。 uJ、ピークパワーは15.7kWで、これはこれまでに報告されている中で最も高いピークパワーEr:ZBLAN変調Qファイバーレーザーです。
中赤外モードロック超高速ファイバーレーザー
2umレーザーの出力にはシリコンベースのファイバーにTmドープファイバーがあり、この技術は比較的成熟しており、ファイバー技術やデバイス技術の成熟に伴い、より高い仕様が次々と達成されています。
2018年、イエナ大学は、大きなモードフィールド領域、50/250-Tm-PM-PCFを備えたTmドープフォトニック結晶ファイバーを利用した、平均出力1000W、256fsの2um超高速レーザーを報告しました。 これは、これまでの同様の実験の最高の指標です。
2umを超える波長帯域では、現在のファイバーレーザー研究のほとんどは、主に可飽和吸収および非線形効果の形で受動的モードロック技術を採用しています。 前者は、SESAM、Fe:ZnSeなどの金属ドープ結晶など、モードロックデバイスとして光学的に飽和可能な吸収特性を持つ材料を使用します。一方、後者は、光非線形効果および他の手段を利用して、同等の可飽和吸収体を生成します。非線形偏光回転（NPR）、非線形光ループミラー（NOLM）など
2020年、Guoら[14]は、WSe2薄膜がCVDを使用してSAとして成長し、金メッキミラーに転写されてWSe2-SAMを形成したことを報告した。 ６パーセントのモル濃度のＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーでポンピングされた９８０ｎｍレーザーを使用して、２１ｐｓ、４２．４３ＭＨｚの再周波数、および３６０ｍＷの平均出力が達成された。
2022年、上海交通大学のQinら[15]は、分子線エピタキシャル成長技術を用いて、可飽和吸収体の応答範囲、飽和エネルギー密度、回復時間などのパラメータを柔軟に調整できるInAs/GaSb超格子SESAMを作成した。は、パルス幅 14.8 ps、平均出力 149 mW、繰り返し周波数 36.56 MHz の 3.5um Er:ZBLAN ファイバー レーザーから安定したモードロック出力を達成しました。
2019年、上海交通大学のQinら[16]は、分散管理にGeロッドを使用し、パルスエネルギー9.3nJ、ピークパワー43.3kWでモードロックパルス幅を215fsまでさらに短縮した。
2020 年、Gu らは 上海交通大学の [17] は、2.8 μm Er∶ZBLAN ファイバーレーザーの NPR 技術に基づいて、131 fs モードロック出力、22.68 kW ピークパワー、および 3 nJ パルスエネルギーのソリトンパルスを報告しました。
同年、Huang et al [18] は、NPR 技術を使用して長さ 3.3 m の Er:ZBLAN ファイバーを 980 nm でポンピングすることにより、パルス幅 126 fs、パルスエネルギー 10 nJ のモードロック出力を達成しました。 Er:ZBLAN 増幅器と ZBLAN 非線形ファイバーは、パルス幅を 15.9 fs までさらに圧縮し、最終ピーク パルス パワーは 500 kW でした。
2022 年に、Yu ら [19] は、7 パーセントのモル濃度でドープされた長さ 2.4 m の Er:ZBLAN ファイバーを使用して、パルス幅 283 fs のパルスシード光源を準備し、さらに非線形増幅を使用してパルス幅を 59 fs に圧縮しました。これにより、最大 4.13 W のパルス平均出力が得られます。これは、これまでのサブ百フェムト秒モードロック ファイバー レーザーの最高平均出力です。
Cオンクルージョン
中赤外ファイバーレーザー、ファイバーレーザーのコンパクトさ、メンテナンスの軽減、高い安定性、高いビーム品質、およびその他の多くの利点を備えた、パワー、スペクトル、光ファイバーデバイスアプリケーションからのフッ化物、硫化物、ハロゲン化物、中空ファイバーおよびその他の中赤外ファイバー、および中赤外レーザーの開発の他の側面は中赤外レーザーの開発を大幅に促進し、中赤外材料と光ファイバー技術が成熟し続けているため、より高品質の中赤外ファイバーレーザーが登場します。国防、科学研究、工業生産、医療などの分野で、ますます大きな役割を果たす製品が登場します。
