Conosci i laser a stato solido nel medio infrarosso?(Parte 2)

Laser a stato solido nel medio infrarossocon una lunghezza d'onda di 3 ~ 5μm presenta i vantaggi di alta efficienza, dimensioni ridotte e leggerezza e ha un importante valore applicativo nell'industria, nelle cure mediche, nell'esercito, ecc. Lo sviluppo di laser a medio infrarosso di grandi dimensioni e di alta qualità le sorgenti di pompa laser ad alta potenza a cristallo e infrarosso con lunghezze d'onda di uscita più lunghe sono diventate una delle direzioni di sviluppo futuro del laser a stato solido nel medio infrarosso.

Parliamo poi della tecnologia di generazione del laser a stato solido nel medio infrarosso.

(2) Laser solido drogato con olmio

La sorgente luminosa coerente con banda da 2μm ha una trasmittanza relativamente elevata nell'aria ed è una sorgente luminosa ideale per la misurazione della velocità del vento, Lidar coerente, telerilevamento e altre applicazioni.

Il mezzo di guadagno drogato con ione olmio può generare direttamente un laser di circa 2,1 µm. Gli ioni olmio hanno picchi di assorbimento della luce vicino visibile e di 1,9 µm. In precedenza i laser all'olmio venivano pompati dalla lampada flash e ioni co-drogati come Tm3 plus venivano aggiunti al mezzo di guadagno come sensibilizzatori, il che non era favorevole all'ottenimento di un'elevata efficienza di conversione a temperatura ambiente.

Al momento, il modo ideale è utilizzare un laser da 1,9 µm generato da un laser drogato con tulio per pompare direttamente il cristallo di olmio, oppure utilizzare un laser a semiconduttore da circa 1908 nm come sorgente di pompaggio, che può ottenere un'emissione laser di olmio stabile ed efficiente a temperatura ambiente.

(3) Laser a stato solido drogato con erbio

La transizione 4I 11/2 → 4I 13/2 di Er3 plus può produrre laser nella banda di 2,7 ~ 3 μm in diversi substrati, che possono essere ottenuti direttamente mediante lampada allo xeno e pompaggio LD ad alta concentrazione di drogaggio di materiale Erbio. I materiali relativamente maturi studiati includono Er: YAG, Er: YLF, Er: YSGG, Er: GSGG, Er: BYF, ecc. Negli ultimi anni sono stati condotti studi anche sulle ceramiche laser a ossido come materiali di matrice, come Er: LuO3 , Er: Y2O3, ecc.

La conduttività termica del cristallo GSGG è bassa, c'è un grave effetto lente termica ed è difficile ottenere un'elevata frequenza di ripetizione, alta potenza e qualità del fascio abbagliante dell'uscita laser nel medio infrarosso; Il materiale della matrice YSGG può essere utilizzato per laser a stato solido di media e piccola potenza a bassa frequenza di ripetizione e l'energia fononica è bassa e l'influenza della transizione non radiativa multi-fonone è piccola.

La tecnologia di crescita della matrice cristallina YAG è matura, facile da drogare, ha un'elevata conduttività termica, un'elevata soglia di danno laser ed eccellenti proprietà fisiche e chimiche. Rispetto al cristallo YAG, lo stress della struttura cristallina YLF e lo stress termico sono maggiori, c'è un certo effetto lente termica e il processo di crescita dei cristalli è difficile. La modalità di pompaggio del laser Er: YAG è principalmente suddivisa in pompaggio con lampada allo xeno, pompaggio laterale LD e pompaggio finale LD, che può emettere laser da 2940 nm con potenza di picco e grande energia.

(4) Laser solido drogato con ferro e cromo con elemento metallico di transizione

Gli ioni dei metalli di transizione Cr2 plus, Ni2 plus, Co2 plus e Fe2 plus mostrano migliori proprietà laser nel medio infrarosso nei materiali semiconduttori del gruppo Ⅱ-Ⅵ, in particolare i cristalli semiconduttori drogati con ioni Cr2 plus, come Cr2 plus:ZnSe, Cr2 plus: Gli ZnS hanno buone proprietà di fluorescenza a temperatura ambiente, un ampio intervallo di sintonia e un'elevata efficienza quantistica. Cr2 plus :ZnSe ha un intervallo di sintonia della lunghezza d'onda di circa 2200-2700 nm, mentre i cristalli Cr2 plus :ZnS hanno un intervallo di uscita di 2100-2700 nm.

(5) Laser nel medio infrarosso basato su tecnologia non lineare

①Laser a stato solido nel medio infrarosso a frequenza differenziale

Quando due raggi laser con differenze di frequenza incidono su un cristallo non lineare, viene generato un nuovo laser la cui frequenza è la differenza della frequenza dei due raggi laser. Come ogni altro processo non lineare, questo processo deve raggiungere determinate condizioni di soglia. Basandosi sulla tecnologia della differenza di frequenza, è possibile ottenere sorgenti luminose nella gamma del visibile fino a 30 µm e nella maggior parte dei casi vengono utilizzate per ottenere onde nel lontano infrarosso.

②Laser ad oscillazione parametrica nel medio infrarosso

Se il mezzo non lineare viene posizionato nel risonatore ottico, la luce pompata incide sul cristallo non lineare, producendo due nuove luci a bassa frequenza (luce di segnalazione e luce inattiva), la luce pompata, la luce di segnalazione e la luce inattiva molte volte attraverso il mezzo non lineare, quando il guadagno dell'onda luminosa del segnale e della luce inattiva è maggiore della loro perdita nel risonatore, l'oscillazione del laser si forma nel risonatore.

Questo è l'oscillatore ottico parametrico (OPO). Attraverso il design del rivestimento dello specchio del risonatore, è possibile selezionare l'uscita della frequenza laser desiderata.

Come mostrato nella figura. ωp è la frequenza ottica di pompaggio, ωs è la frequenza ottica del segnale, ωi è la frequenza ottica di riposo e soddisfa la relazione tra ωp=ωs più ωi.

Il risonatore di un oscillatore parametrico ottico può essere risonante sia alla luce del segnale che alla luce inattiva o ad una delle frequenze. Il primo è spesso chiamato oscillatore parametrico a doppia risonanza (DRO), mentre il secondo è spesso chiamato oscillatore parametrico ottico a risonanza singola (SRO).

I tre fasci di luce che si propagano nel cristallo devono soddisfare la condizione di adattamento di fase, cioè correlata all'indice di rifrazione della lunghezza d'onda ottica nel cristallo, se la luce pompata incidente ad una lunghezza d'onda fissa, la variazione dell'indice di rifrazione di il cristallo non lineare cambierà la lunghezza d'onda della luce del segnale e della luce inattiva, in modo da ottenere una nuova condizione di corrispondenza di fase e ottenere la sintonizzazione della lunghezza d'onda.

La regolazione dell'angolo può essere ottenuta utilizzando la relazione tra la birifrangenza del cristallo anisotropico e l'angolo, oppure la regolazione della temperatura può essere ottenuta modificando la temperatura. La sintonizzazione periodica può essere eseguita anche modificando il periodo del cristallo per i cristalli polarizzati periodici.

La regolazione dell'angolo può essere ottenuta utilizzando la relazione tra la birifrangenza del cristallo anisotropico e l'angolo, oppure la regolazione della temperatura può essere ottenuta modificando la temperatura. La sintonizzazione periodica può essere eseguita anche modificando il periodo del cristallo per i cristalli polarizzati periodici.

I cristalli non lineari sono i componenti chiave dei laser ad oscillazione parametrica nel medio infrarosso. I comuni cristalli non lineari del medio infrarosso includono KTP, KTA, ZnGeP2 (ZGP), AgGaS2, LiNbO3 (LN), LiTaO3 (LT), PPLN, PPLT, PPKTP, PPKTA. PPLN, PPLT, PPKTP e PPKTA appartengono a cristalli polarizzati con periodo e hanno un'elevata efficienza di conversione. L'aggiunta di MgO in PPLN e PPLT può migliorare la soglia di danno dei cristalli.

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