Connaissez-vous les lasers à semi-conducteurs à infrarouge moyen ? (Partie 2)

Laser à semi-conducteurs infrarouge moyenavec une longueur d'onde de 3 ~ 5 μm présente les avantages d'un rendement élevé, d'une petite taille et d'un poids léger, et a une valeur d'application importante dans l'industrie, le traitement médical, l'armée, etc. Le développement d'un laser infrarouge moyen de grande taille et de haute qualité Les sources de pompe laser haute puissance à cristal et infrarouge avec des longueurs d'onde de sortie plus longues sont devenues l'une des futures orientations de développement du laser à semi-conducteurs infrarouge moyen.

Nous parlons ensuite de la technologie de génération de laser à solide infrarouge moyen.

(2) Laser solide dopé à l'holmium

La source de lumière cohérente dans la bande de 2 μm a une transmission relativement élevée dans l'air et constitue une source de lumière idéale pour la mesure de la vitesse du vent, le Lidar cohérent, la télédétection et d'autres applications.

Le milieu de gain dopé à l'ion holmium peut générer directement un laser d'environ 2,1 µm. Les ions holmium ont des pics d'absorption proches de la lumière visible et de 1,9 µm. Les lasers à holmium antérieurs étaient pompés par la lampe flash et des ions co-dopés tels que Tm3 plus étaient ajoutés au milieu de gain en tant que sensibilisateurs, ce qui n'était pas propice à l'obtention d'un rendement de conversion élevé à température ambiante.

À l'heure actuelle, le moyen idéal consiste à utiliser un laser de 1,9 µm généré par un laser dopé au thulium pour pomper directement le cristal d'holmium, ou à utiliser un laser à semi-conducteur d'environ 1908 nm comme source de pompage, ce qui permet d'obtenir une sortie laser d'holmium stable et efficace à température ambiante.

(3) Laser à solide dopé à l'erbium

La transition 4I 11/2 → 4I 13/2 d'Er3 plus peut produire un laser dans la bande de 2,7 ~ 3 μm dans différents substrats, qui peuvent être directement obtenus par lampe au xénon et pompage LD à haute concentration de dopage de matériau Erbium. Les matériaux relativement matures étudiés comprennent Er : YAG, Er : YLF, Er : YSGG, Er : GSGG, Er : BYF, etc. Ces dernières années, des études ont également été menées sur les céramiques laser à oxyde comme matériaux matriciels, tels que Er : LuO3. , Euh : Y2O3, etc.

La conductivité thermique du cristal GSGG est faible, il existe un effet de lentille thermique sérieux et il est difficile d'obtenir une fréquence de répétition élevée, une puissance élevée et une qualité de faisceau élevée de sortie laser infrarouge moyen ; Le matériau matriciel YSGG peut être utilisé pour les lasers à semi-conducteurs de moyenne fréquence à faible fréquence de répétition et de petite puissance, et l'énergie des phonons est faible et l'influence de la transition non radiative multi-phonons est faible.

La technologie de croissance de matrice cristalline YAG est mature, facile à doper, présente une conductivité thermique élevée, un seuil de dommage laser élevé et d'excellentes propriétés physiques et chimiques. Par rapport au cristal YAG, la contrainte de la structure cristalline YLF et la contrainte thermique sont plus importantes, il existe un certain effet de lentille thermique et le processus de croissance cristalline est difficile. Le mode de pompage du laser Er:YAG est principalement divisé en pompage par lampe au xénon, pompage latéral LD ​​et pompage final LD, qui peuvent produire un laser de 2940 nm avec une puissance maximale et une grande énergie.

(4) Laser solide dopé au chrome et au fer à élément métallique de transition

Les ions de métaux de transition Cr2 plus, Ni2 plus, Co2 plus et Fe2 plus présentent de meilleures propriétés laser infrarouge moyen dans les matériaux semi-conducteurs du groupe Ⅱ-Ⅵ, en particulier les cristaux semi-conducteurs dopés aux ions Cr2 plus, tels que Cr2 plus :ZnSe, Cr2 plus : Le ZnS possède de bonnes propriétés de fluorescence à température ambiante, une large plage de réglage et une efficacité quantique élevée. Cr2 plus :ZnSe a une plage de réglage de longueur d'onde d'environ 2200-2700 nm, et les cristaux Cr2 plus :ZnS ont une plage de sortie de 2100-2700 nm.

(5) Laser infrarouge moyen basé sur une technologie non linéaire

①Laser à semi-conducteurs infrarouge moyen à fréquence différentielle

Lorsque deux faisceaux laser présentant des différences de fréquence tombent sur un cristal non linéaire, un nouveau laser dont la fréquence est la différence de fréquence des deux faisceaux laser est généré. Comme tout autre processus non linéaire, ce processus doit atteindre certaines conditions seuils. Grâce à la technologie de différence de fréquence, des sources lumineuses dans la plage visible jusqu'à 30 µm peuvent être obtenues et, dans la plupart des cas, sont utilisées pour obtenir des ondes infrarouges lointaines.

②Laser à oscillation paramétrique infrarouge moyen

Si le milieu non linéaire est placé dans le résonateur optique, la lumière pompée arrive sur le cristal non linéaire, produisant deux nouvelles lumières basse fréquence (feu de signalisation et lumière de repos), la lumière pompée, le feu de signalisation et la lumière de repos plusieurs fois à travers le résonateur optique. milieu non linéaire, lorsque le gain de l'onde lumineuse du signal et de la lumière de repos est supérieur à leur perte dans le résonateur, l'oscillation laser se forme dans le résonateur.

Il s'agit de l'oscillateur paramétrique optique (OPO). Grâce à la conception du revêtement du miroir résonateur, la sortie de fréquence laser souhaitée peut être sélectionnée.

Comme le montre la figure. ωp est la fréquence optique de pompage, ωs est la fréquence optique du signal, ωi est la fréquence optique au repos et répond à la relation ωp=ωs plus ωi.

Le résonateur d'un oscillateur paramétrique optique peut résonner à la fois avec le signal lumineux et le feu de repos ou avec l'une des fréquences. Le premier est souvent appelé oscillateur paramétrique à double résonance (DRO), et le second est souvent appelé oscillateur paramétrique optique (SRO) à simple résonance.

Les trois faisceaux de lumière se propageant dans le cristal doivent remplir la condition d'adaptation de phase, c'est-à-dire liée à l'indice de réfraction de la longueur d'onde optique dans le cristal, si la lumière pompée arrive à une longueur d'onde fixe, le changement de l'indice de réfraction de le cristal non linéaire modifiera la longueur d'onde du signal lumineux et de la lumière de repos, de manière à obtenir une nouvelle condition d'adaptation de phase et à obtenir un réglage de longueur d'onde.

Le réglage de l'angle peut être obtenu en utilisant la relation entre la biréfringence des cristaux anisotropes et l'angle, ou le réglage de la température peut être obtenu en modifiant la température. Un réglage périodique peut également être effectué en modifiant la période du cristal pour les cristaux polarisés périodiques.

Le réglage de l'angle peut être obtenu en utilisant la relation entre la biréfringence des cristaux anisotropes et l'angle, ou le réglage de la température peut être obtenu en modifiant la température. Un réglage périodique peut également être effectué en modifiant la période du cristal pour les cristaux polarisés périodiques.

Les cristaux non linéaires sont les composants clés des lasers à oscillation paramétrique dans l'infrarouge moyen. Les cristaux non linéaires courants dans l'infrarouge moyen comprennent KTP, KTA, ZnGeP2 (ZGP), AgGaS2, LiNbO3 (LN), LiTaO3 (LT), PPLN, PPLT, PPKTP, PPKTA. PPLN, PPLT, PPKTP et PPKTA appartiennent à des cristaux polarisés par période et ont un rendement de conversion élevé. L'ajout de MgO dans le PPLN et le PPLT peut améliorer le seuil de dommage des cristaux.

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