मध्य-अवरक्त फाइबर लेजर प्रौद्योगिकी और अनुप्रयोगों का गहन विश्लेषण

2um-5um मिड-इन्फ्रारेड लेजर के अपने अनूठे अनुप्रयोग हैं: यह बैंड कई वायुमंडलीय खिड़कियों को कवर करता है, जो इसे LIDAR, वायुमंडलीय संचार, लेजर रेंजिंग, अल्ट्रा-उच्च रिज़ॉल्यूशन खगोलीय स्पेक्ट्रोमीटर के अंशांकन और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक पहचान के लिए उपयोगी बनाता है। आदि [1]; मध्य-अवरक्त बैंड में विशिष्ट वर्णक्रमीय रेखाएँ होती हैं जिन्हें "आणविक फ़िंगरप्रिंट" के रूप में जाना जाता है, जिसका उपयोग उच्च गति, उच्च रिज़ॉल्यूशन, उच्च वर्णक्रमीय संवेदनशीलता, मध्य-अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी माप के उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात के लिए किया जा सकता है [2] ; 3um के आसपास के पानी के अणुओं में एक मजबूत अवशोषण शिखर होता है ताकि इसका उपयोग कई चिकित्सा कार्यों में किया जा सके; अवशोषण वर्णक्रमीय बैंड के आणविक सहसंयोजक बंधन में स्थित है, जिसका उपयोग आणविक सामग्री और आणविक प्रकार की पहचान का पता लगाने, आणविक इमेजिंग आदि प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है।

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध मध्य-अवरक्त लेजर स्रोतों में ओपीओ पैरामीट्रिक ऑसिलेटिंग लेजर, सुपरकॉन्टिनम स्पेक्ट्रल प्रकाश स्रोत, क्वांटम कैस्केड लेजर और फाइबर लेजर शामिल हैं।

मध्य-अवरक्त फाइबर लेजर, मध्य-अवरक्त फाइबर की प्राप्ति के अनुसार सक्रिय और निष्क्रिय पहलुओं में विभाजित किया जा सकता है, जिसमें मुख्य रूप से डोप्ड दुर्लभ पृथ्वी पर आधारित मध्य-अवरक्त लेजर, जैसे कि ईआर 3 प्लस, डीवाई 3 प्लस डोप्ड जेडबीएलएएन फाइबर लेजर शामिल है। ; गैर-रेखीय प्रभाव पर आधारित मध्य-अवरक्त लेजर, जैसे कि रमन लेजर, लेजर का सुपर-कॉन्टिनम स्पेक्ट्रम; विशेष वेवगाइड संरचना के साथ खोखले-कोर ऑप्टिकल फाइबर पर आधारित, विभिन्न तरंग दैर्ध्य प्राप्त करने के लिए विभिन्न गैसों के साथ। मध्य-अवरक्त लेजर की विभिन्न तरंग दैर्ध्य। हाल के वर्षों में, फाइबर लेजर तकनीक के निरंतर विकास और परिपक्वता के साथ, मध्य-अवरक्त लेजर तकनीक के आसपास अनुसंधान गर्म है, संबंधित प्रयोग और उत्पाद रिपोर्ट अंतहीन हैं, और यहां हम केवल एकल-तरंग दैर्ध्य मध्य-अवरक्त फाइबर लेजर आधारित पर चर्चा करते हैं सक्रिय फाइबर प्राप्त करने पर।

एर: ZBLAN फाइबर ऑप्टिक

एक दुर्लभ पृथ्वी तत्व के रूप में एर में एक समृद्ध ऊर्जा स्तर की संरचना होती है, कण 655 एनएम, 790 एनएम, और 980 एनएम के पंप तरंग दैर्ध्य पर जमीनी अवस्था अवशोषण द्वारा उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्साहित होते हैं, और 1.55 यूएम उत्सर्जन विकिरण हस्तांतरण द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। 4I13/2 ऊर्जा स्तर को 4I15/2 ऊर्जा स्तर पर, और 2.8 um उत्सर्जन को 4I11/2 ऊर्जा स्तर से 4I13/2 ऊर्जा स्तर पर स्थानांतरित करके। कण 4F9/2 ऊर्जा स्तर से 4I9/2 ऊर्जा स्तर तक छलांग लगाकर 3.5um उत्सर्जन उत्पन्न कर सकते हैं। वर्तमान में, यह उच्च सांद्रता वाले डोप्ड एर: ZBLAN फाइबर से 2.8um लेज़िंग प्राप्त करने की अपेक्षाकृत मुख्यधारा विधि है [4]

फ्लोराइड फाइबर का उपयोग 2-3um प्रकाश आउटपुट के लिए किया जाता है, सल्फाइड फाइबर का उपयोग 3-6.5um प्रकाश आउटपुट के लिए किया जाता है, और 6.5um से अधिक लंबी तरंग दैर्ध्य को हैलाइड फाइबर के साथ आउटपुट किया जा सकता है। फ्लोराइड फाइबर मुख्य रूप से एल्युमिनियम फ्लोराइड (AlF3), ZBLAN (53 प्रतिशत ZrF{7}} प्रतिशत BaF2-4 प्रतिशत LaF3-3 प्रतिशत AlF3-20 प्रतिशत NaF) या इंडियम फ्लोराइड (InF3) है। , आदि फ्लोराइड बहु-घटक ग्लास फाइबर की मैट्रिक्स सामग्री के रूप में। ZBLAN में से एक वर्तमान में अधिक सामान्यतः उपयोग किया जाने वाला ऑप्टिकल फाइबर है, दुर्लभ पृथ्वी डोपिंग को प्राप्त किया जा सकता है, क्योंकि सिलिकॉन-आधारित ऑप्टिकल फाइबर के साथ इसकी फ्यूजन स्प्लिसिंग प्रक्रिया अपेक्षाकृत परिपक्व है, वाणिज्यिक ऑप्टिकल फाइबर फ्यूजन स्प्लिसिंग मशीनों का उपयोग किया जा सकता है, InF और AlF फाइबर हो सकते हैं फाइबर ऑप्टिक डिवाइस (जैसे बीम कंबाइनर) और फाइबर ऑप्टिक एंड कैप के उत्पादन के रूप में उपयोग किया जाता है। लेकिन नमी में आसानी होना फ्लोराइड फाइबर का मुख्य नुकसान है।

2.8um मध्य-अवरक्त सतत फाइबर लेजर

1988 में, ब्रिएर्ली ने पहले 2.7um Er3 प्लस डोप्ड फाइबर लेजर की रिपोर्ट की[5]।

1999 में, एर:जेडबीएलएएन फाइबर लेजर की आउटपुट पावर ने वाट स्केल में एक सफलता हासिल की, और जैक्सन एट अल [6] ने एर3 प्लस / पीआर3 प्लस सह-डोप्ड जेडबीएलएएन फाइबर का उपयोग करके 1.7 डब्ल्यू का लेजर आउटपुट हासिल किया।

21वीं सदी में, फाइबर तैयारी तकनीक और फाइबर लेजर तकनीक के विकास के साथ, 3um-बैंड लेजर की शक्ति में और वृद्धि हुई। उनमें से, जापान में क्योटो विश्वविद्यालय, ऑस्ट्रेलिया में एडिलेड विश्वविद्यालय, कनाडा में लावल विश्वविद्यालय और चीन में शेन्ज़ेन विश्वविद्यालय ने प्रयोगशाला में बहुत उत्कृष्ट प्रयोगात्मक प्रगति की सूचना दी है।

2015 में, लावल यूनिवर्सिटी, कनाडा के फोर्टिन एट अल [7] ने 30.5 डब्ल्यू की आउटपुट पावर और 2938 एनएम की आउटपुट तरंग दैर्ध्य के साथ एक ईआर 3 प्लस डोप्ड फ्लोराइड फाइबर लेजर की सूचना दी। सिस्टम ने इंट्रा-कोर नक़्क़ाशी के आधार पर फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग का उपयोग किया, अर्थात, 10 मीटर लंबी गुंजयमान गुहा बनाने के लिए क्रमशः ZBLAN और Er:ZBLAN फाइबर में उच्च और निम्न प्रतिबिंब ग्रेटिंग को उकेरा गया, और फाइबर टेल एंड को जोड़ा गया। विलंब को कम करने और लेजर की स्थिरता में सुधार करने के लिए एएलएफ3 एंडकैप के साथ, 980 एनएम पंपिंग पर 16 प्रतिशत की कुल लेजर दक्षता के साथ।

2018 में, आयडिन एट अल [8], लावल यूनिवर्सिटी, कनाडा ने एर:जेडबीएलएएन फाइबर के एक पूरे खंड के भीतर ग्रेटिंग नक़्क़ाशी पूरी की, और दोहरे पंपिंग मोड में निरंतर फाइबर लेजर का उपयोग करके 2.8 um पर 41.6 W का लेजर आउटपुट हासिल किया। . यह किसी Er:ZBLAN मिड-इन्फ्रारेड फाइबर लेजर की उच्चतम ज्ञात रिपोर्ट की गई आउटपुट पावर है।

2021 में, शेन्ज़ेन विश्वविद्यालय के चुन्यू गुओ एट अल[10] ने चीन में 20W की शक्ति पर पूर्ण-फाइबर संरचना के साथ पहले 2.8um मध्य-अवरक्त लेजर आउटपुट की सूचना दी। प्रयुक्त Er3 प्लस :ZrF4 डोप्ड फाइबर का व्यास 15um, संख्यात्मक एपर्चर NA लगभग 0.12, कुल लंबाई 6.5m, अवशोषण गुणांक 2-3dB/m@976nm और एक उच्च-परावर्तक झंझरी है। (99 प्रतिशत एचआर-एफबीजी) और एक कम-परावर्तक झंझरी (10 प्रतिशत ओसी-एफबीजी) सीधे एक लाभ फाइबर पर अंकित है, 2825 एनएम के केंद्र तरंग दैर्ध्य के साथ, जो एर फाइबर के साथ एक अनुनाद गुहा बनाता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। ▼ सिलिकॉन-आधारित और ZBLAN फाइबर की फ्यूजन बॉन्डिंग प्रक्रिया, साथ ही अंत कैप और निष्क्रिय फाइबर की फ्यूजन बॉन्डिंग प्रक्रिया, रिपोर्टर की टीम द्वारा स्वतंत्र रूप से विकसित की गई थी, जिसने क्लैडिंग ऑप्टिकल फिल्टर और का निर्माण किया था। AlF3 फाइबर अंत टोपियां। पंप पावर 140W होने पर ऑप्टिकल-टू-ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता 14.5 प्रतिशत है, अर्थात 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]

वर्षों के प्रयासों के बाद, फाइबर लेजर श्रमिकों ने मध्य-अवरक्त फाइबर के प्रसंस्करण को काफी अनुकूलित किया, वाणिज्यिक विशेष फाइबर प्रसंस्करण उपकरण का वर्तमान उपयोग, आप कम संलयन हानि प्राप्त कर सकते हैं, इसका उपयोग मध्य-अवरक्त मोड फ़ील्ड मैचर, कंबाइनर / स्प्लिटर में किया जाता है , आउटपुट एंड कैप, और कई अन्य डिवाइस, ताकि मध्य-अवरक्त प्रकाश स्रोत के उत्पाद-स्तरीय ऑल-फाइबर संरचना को लॉन्च किया जा सके।

मध्य-अवरक्त क्यू-स्पंदित फाइबर लेजर

2020 में, सोज्का एट अल [11] ने एक फाइबर के एकोस्टो-ऑप्टिक क्यू-मॉड्यूलेटेड आउटपुट को प्राप्त करने के लिए 15 यूएम कोर व्यास, 7 प्रतिशत मोलर सांद्रता वाले 30 डब्लू 975 एनएम लेजर पंप वाले एर:जेडबीएलएएन डबल क्लैडिंग फाइबर का उपयोग किया। 10 किलोहर्ट्ज़ की पुनरावृत्ति आवृत्ति पर 2.8 um की तरंग दैर्ध्य पर लेजर, और 1. 1 मीटर लंबे एर:ZBLAN फाइबर में 0. 821 किलोवाट की अधिकतम शक्ति की पल्स के साथ 46 uJ की पल्स ऊर्जा के साथ एक लेजर आउटपुट पल्स चौड़ाई 56 एनएस। 2021, उन्होंने 35um के कोर व्यास और 26 ns की पल्स चौड़ाई के साथ 12.7 किलोवाट की अधिकतम शक्ति और 330 यूजे [12] की पल्स ऊर्जा के साथ एक एर:ZBLAN मल्टीमोड फाइबर का उपयोग किया।

2021 में, शेन एट अल। इलेक्ट्रो-ऑप्टिक क्यू मॉड्यूलेशन का उपयोग करके 2.8um का पहला स्पंदित लेजर आउटपुट प्राप्त किया। 33um के कोर व्यास वाले एक ZBLAN फाइबर को 6 प्रतिशत की एर सांद्रता के साथ डोप किया गया था, जिसका उपयोग NA 0.12 के साथ लाभ माध्यम के रूप में किया गया था, और इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर को 13.1ns की पल्स चौड़ाई के साथ 205.7 की पल्स ऊर्जा के साथ एक RTP क्रिस्टल के रूप में चुना गया था। यूजे और 15.7 किलोवाट की चरम शक्ति, जो कि रिपोर्ट की गई ज्ञात उच्चतम शिखर शक्ति एर:जेडबीएलएएन मॉड्यूलेटेड क्यू फाइबर लेजर है।

मिड-इन्फ्रारेड मोड-लॉक अल्ट्राफास्ट फाइबर लेजर

2um लेजर के आउटपुट के लिए सिलिकॉन-आधारित फाइबर में टीएम-डोप्ड फाइबर होते हैं, और तकनीक अपेक्षाकृत परिपक्व हो गई है, फाइबर और डिवाइस प्रौद्योगिकियों के परिपक्व होने के साथ-साथ उच्च विशिष्टताएं एक-एक करके हासिल की जा रही हैं।

2018 में, जेना विश्वविद्यालय ने 1000 W औसत शक्ति, 2um अल्ट्राफास्ट लेजर के 256 fs की सूचना दी, जो एक बड़े मोड-फील्ड क्षेत्र, 50/{7}}Tm-PM-PCF के साथ Tm-डोप्ड फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर का उपयोग करता है। यह समान प्रयोगों के लिए अब तक का उच्चतम मीट्रिक है।

2um से ऊपर तरंग दैर्ध्य बैंड के लिए, अधिकांश वर्तमान फाइबर लेजर अनुसंधान कार्य निष्क्रिय मोड-लॉकिंग तकनीक को अपनाते हैं, मुख्य रूप से संतृप्त अवशोषण के साथ-साथ गैर-रेखीय प्रभावों के रूप में। पहला मोड-लॉक डिवाइस जैसे SESAM, धातु-डोप्ड क्रिस्टल जैसे Fe: ZnSe इत्यादि के रूप में ऑप्टिकली संतृप्त अवशोषण गुणों वाली सामग्रियों का उपयोग करता है, जबकि बाद वाला समकक्ष संतृप्त अवशोषक उत्पन्न करने के लिए ऑप्टिकल नॉनलाइनर प्रभाव और अन्य साधनों का उपयोग करता है, जैसे कि नॉनलीनियर ध्रुवीकरण रोटेशन (एनपीआर), नॉनलीनियर ऑप्टिकल लूप मिरर (एनओएलएम), आदि।

2020 में, गुओ एट अल [14] ने बताया कि WSe2 पतली फिल्मों को CVD का उपयोग करके SA के रूप में विकसित किया गया था और WSe{4}}SAM बनाने के लिए गोल्ड-प्लेटेड दर्पणों में स्थानांतरित किया गया था, जिसके आधार पर पल्स चौड़ाई के साथ एक मोड-लॉक पल्स 21 पीएस, 42.43 मेगाहर्ट्ज की पुनः आवृत्ति, और 360 मेगावाट की औसत शक्ति एर:जेडबीएलएएन फाइबर के 6 प्रतिशत दाढ़ एकाग्रता के साथ पंप किए गए 980 एनएम लेजर का उपयोग करके हासिल की गई थी।

2022 में, शंघाई जियाओतोंग विश्वविद्यालय के किन एट अल [15] ने आणविक बीम एपिटैक्सियल ग्रोथ तकनीक का उपयोग करके InAs/GaSb सुपरलैटिस SESAM तैयार किया, जो संतृप्त अवशोषक, संतृप्ति ऊर्जा घनत्व, और पुनर्प्राप्ति समय और अन्य मापदंडों की प्रतिक्रिया सीमा को लचीले ढंग से समायोजित कर सकता है, और 14.8 पीएस की पल्स चौड़ाई, 149 मेगावाट की औसत शक्ति और 36.56 मेगाहर्ट्ज की पुनरावृत्ति आवृत्ति के साथ 3.5um ईआर:जेडबीएलएएन फाइबर लेजर से एक स्थिर मोड-लॉक आउटपुट प्राप्त किया।

2019 में, शंघाई जियाओतोंग विश्वविद्यालय के किन एट अल [16] ने फैलाव प्रबंधन के लिए जीई रॉड्स का उपयोग करके मोड-लॉक पल्स चौड़ाई को 215 एफएस तक छोटा कर दिया, जिसमें 9.3 एनजे की पल्स ऊर्जा और 43.3 किलोवाट की अधिकतम शक्ति थी।

2020 में, गु एट अल। [17] शंघाई जियाओतोंग विश्वविद्यालय ने 2.8 μm एर∶ZBLAN फाइबर लेजर के लिए एनपीआर तकनीक पर आधारित 131 एफएस मोड-लॉक आउटपुट, 22.68 किलोवाट पीक पावर और 3 एनजे पल्स ऊर्जा के साथ एक सॉलिटॉन पल्स की सूचना दी।

उसी वर्ष, हुआंग एट अल [18] ने एनपीआर तकनीक का उपयोग करके 980 एनएम पर 3.3 मीटर लंबे एर: जेडबीएलएएन फाइबर को पंप करके 126 एफएस की पल्स चौड़ाई और 10 एनजे की पल्स ऊर्जा के साथ एक मोड-लॉक आउटपुट प्राप्त किया, और एर: ZBLAN एम्पलीफायर और ZBLAN नॉनलाइनियर फाइबर ने पल्स चौड़ाई को 15.9 fs तक संपीड़ित कर दिया, जिसमें 500 किलोवाट की अंतिम शिखर पल्स पावर थी।

2022 में, यू एट अल [19] ने 2.4 मीटर लंबे एर:जेडबीएलएएन फाइबर का उपयोग करके 283 एफएस की पल्स चौड़ाई के साथ एक स्पंदित बीज प्रकाश स्रोत तैयार किया, जिसे 7 प्रतिशत दाढ़ एकाग्रता के साथ डोप किया गया, और नॉनलाइनियर एम्प्लीफिकेशन का उपयोग करके पल्स चौड़ाई को 59 एफएस तक संपीड़ित किया गया। , 4.13 डब्ल्यू तक की स्पंदित औसत शक्ति प्राप्त करना, जो आज तक एक उप-सौ-फेमटोसेकंड मोड-लॉक फाइबर लेजर की उच्चतम औसत उत्पादन शक्ति है।

Cसमावेशन

मध्य-अवरक्त फाइबर लेजर, फाइबर लेजर कॉम्पैक्ट, कम रखरखाव, उच्च स्थिरता, उच्च बीम गुणवत्ता और कई अन्य फायदे, फ्लोराइड, सल्फाइड, हैलाइड, खोखले फाइबर और अन्य मध्य-अवरक्त फाइबर के साथ, शक्ति, वर्णक्रमीय, फाइबर ऑप्टिक डिवाइस अनुप्रयोगों से , और मध्य-अवरक्त लेजर के विकास के अन्य पहलुओं ने मध्य-अवरक्त लेजर के विकास को बहुत बढ़ावा दिया है, मध्य-अवरक्त सामग्री और फाइबर ऑप्टिक तकनीक के परिपक्व होने के साथ, अधिक उच्च गुणवत्ता वाले मध्य-अवरक्त फाइबर लेजर होंगे राष्ट्रीय रक्षा, वैज्ञानिक अनुसंधान, औद्योगिक विनिर्माण, चिकित्सा देखभाल और अन्य क्षेत्रों में आने वाले उत्पाद अधिक से अधिक बड़ी भूमिका निभाएंगे।