Hochleistungs-Ultrakurzpulsquellen im mittleren Infrarotbereich bei 2 - 5 μm basierend auf einer Quelle mit zwei Wellenlängen - Teil 1

1 Einleitung

Mittelinfrarot-Ultrakurzpulslaser mit einer Wellenlänge von 2-5Mm haben aufgrund ihrer einzigartigen Bandlage einen unersetzlichen Anwendungswert in der Grundlagenforschung und in industriellen Anwendungen. Im Bereich der molekularen Detektion sind 2-5Mm-Laser können mit Molekülen wie CO und N in Resonanz treten.₂O, wodurch die Erkennung von Treibhausgasen und Atemgasen realisiert wird. Im Bereich der Weltraumkommunikation sind die 3-5MDas m-Band weist eine schwache Absorption in der Atmosphäre auf und wird als „atmosphärisches transparentes Fenster“ bezeichnet. Kommunikationssysteme in diesem Band zeichnen sich durch eine hohe Kommunikationseffizienz aus. In der nichtlinearen Optik ist die Grenzfrequenz, die die Phasenanpassung von Harmonischen höherer Ordnung erfüllt, proportional zur 1,7-ten Potenz der Pumpwellenlänge. Werden ultrakurze Pulslaser im mittleren Infrarot als Pumplicht zur Anregung von Harmonischen höherer Ordnung eingesetzt, können diese Harmonische höherer Ordnung anregen. In der Biomedizin gilt die mikrospektrale Bildgebung im mittleren Infrarot allgemein als zerstörungsfreie, markierungsfreie und hochempfindliche Bildgebungstechnologie. Ihr Wert in der Krebsforschung und -diagnose sowie in der In-vitro-Gewebeforschung ist erwiesen.

Zu den aktuellen Methoden zur Realisierung von Ultrakurzpulslasern im mittleren Infrarotbereich zählen die Erzeugung von Superkontinuum, optisch-parametrische Oszillatoren/Verstärker, Festkörper-/Faserlaser im mittleren Infrarotbereich, die Erzeugung von Intrapuls-Differenzfrequenzen und die Erzeugung von Differenzfrequenzen. Die Technologie der Superkontinuum-Erzeugung kann das Ausgangsspektrum von Ultrakurzpulslasern auf >10 erweitern. μm⁰, aber seine spektrale Phase ist relativ komplex, und der Energieanteil eines bestimmten Bandes ist gering, was die Ausgabe hochenergetischer, abstimmbarer ultrakurzer Impulse erschwert. Die optische parametrische Oszillator-/Verstärkertechnologie nutzt nichtlineare Kristalle zur Wellenlängenkonvertierung. Der optische parametrische Oszillator benötigt einen Hohlraum, um die Resonanzbedingungen zu erfüllen, und stellt hohe Anforderungen an die optische Pfadgestaltung. Der optische parametrische Verstärker benötigt keinen Resonanzhohlraum und ist relativ einfach aufgebaut, muss jedoch Signallicht im mittleren Infrarotbereich bereitstellen und stellt höhere Anforderungen an das Front-End-Gerät. Durch die Dotierung von optischen Fasern und Kristallen im mittleren Infrarotbereich mit Seltenerdionen wie Erbium, Thulium und Holmium und deren Kombination mit modengekoppelten Bauelementen im mittleren Infrarotbereich kann das Ausgangsband des Laseroszillators im mittleren Infrarotbereich auf etwa 5 μm erweitert werden. Darüber hinaus können chromdotiertes Zinkselenid (Cr:ZnSe) und Cr:ZnS(www.wisoptic.com)Laser sind zwei typische modengekoppelte Festkörperlaser im mittleren Infrarotbereich. Diese beiden Materialien zeichnen sich durch ein breites Emissionsspektrum, eine extrem hohe Quanteneffizienz, gute Stabilität und hohe Wärmeleitfähigkeit aus und werden daher als „Titan-Saphir im mittleren Infrarotbereich“ bezeichnet. Aufgrund der begrenzten Emissionsbandbreite des Verstärkungsmediums lässt sich die Ausgangswellenlänge des Mittelinfrarotlasers jedoch nicht über einen großen Bereich einstellen. Die Technologie zur Erzeugung von Intrapulsdifferenzfrequenzen nutzt das Phänomen der Selbstdifferenzfrequenz eines breiten Spektrums im Kristall, um ein kohärentes Mittelinfrarotspektrum mit einer Bandbreite von bis zu 50 zu erzeugen. THz. Dieses Verfahren kann ultrakurze Pulse mit stabiler Träger-Hüllkurven-Phase erzeugen und benötigt nur einen Treiberlaser. Die experimentelle Vorrichtung ist relativ einfach. Aufgrund der begrenzten spektralen Bandbreite sind jedoch die spektrale Abstimmungsfähigkeit und die Leistungsabgabe weiterhin begrenzt.