Forschungsfortschritt von Laserkristallen im mittleren Infrarot - Teil 04

1. 2   ~ 2,3 μm Laserkristalle dotiert mit Tm ³⁺

Verglichen mit dem 2 μm -Band ( ³ F ₄ → ³H ₆ ) von Tm ³⁺ hat der 2,3 μm -Laserbetrieb basierend auf dem ³ H ₄ → ³H ₅-Übergang des mit Tm ³⁺ dotierten Lasermediums die folgenden Vorteile :

(1) ~790 nm LD wird direkt auf das obere Energieniveau des Lasers gepumpt. Tm ³⁺ hat eine starke Absorption um 790 nm (entspricht direkt dem Übergang ³ H ₄ → ³H ₆), was der Emissionswellenlänge der derzeit ausgereiften kommerziellen AlGaAs-LD entsprechen kann, um ein Hochleistungs-LD-Pumpen zu realisieren. Festkörper-Hochleistungs-2,3- μm -Laserbetrieb.

(2) Vier-Niveau-Laserbetrieb bei Raumtemperatur. Das Energieniveau von ³H ₅ liegt bei ~ 9 000 cm ^-1 über dem Grundzustand ³H ₆, was eine Vier-Niveau-Operation ohne Reabsorption ist . Es hat einen schwachen Temperatureffekt und kann bei Raumtemperatur betrieben werden.

(3) Verglichen mit dem 2- μm -Band liegt 2,3 μm in der schwachen Absorptionszone von Wasser, und der Laserbetrieb wird weniger durch die Umgebungsluftfeuchtigkeit beeinflusst.

(4) Ausgezeichnete spektrale Eigenschaften. Tm ³⁺ hat einen großen stimulierten Emissionsquerschnitt im 2,3- μm -Band und eine große Verstärkungsbandbreite, die eine modengekoppelte Pulserzeugung auf fs-Ebene unterstützen kann. Das Tm:YLF-Fluoreszenzspektrum kann das Band von 2,2–2,45 μm abdecken , und der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission am Peak beträgt 3,5 × 10 ^–20 cm ² bei 2300 nm. Der Querschnitt der stimulierten Emission am Tm:YAG-Peak beträgt 4,4 × 10 ^–20 cm ²bei 2300 nm, und die Bandbreite erreicht 50 nm. Im Jahr 2019 haben LD-gepumpte Tm:YLF-Kristalle eine kontinuierliche Laserleistung von 1,15 W im 2,3- μm -Band erreicht, aber die Steigungseffizienz ist gering ( ≤ 19 %). Im Jahr 2020 haben Muti et al. verwendet 780 nm Ti- Saphir - gepumpte und Graphen-modengekoppelte Tm: KY ₃ F ₁₀, um eine ultraschnelle Laserausgabe von 739 fs im 2,3- μm - Band zu erzeugen .

Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung an Tm ³⁺-dotierten Lasern hauptsächlich auf die Erzielung einer hocheffizienten Hochleistungs-2- μm - Laserausgabe (³ F ₄ → ³H ₆) . Es gibt weniger  Forschungen zum 2,3- μm -Laser   (³ H ₄ → ³H ₅) und der Fortschritt ist relativ langsam .   Die Qualität des 2,3- μm - Ausgangs liegt weit hinter dem 2- μm -Band, und die höchste kontinuierliche Ausgangsleistung des einfach dotierten 2,3- μm -Systems beträgt nur 2,6 W, sodass noch viel Raum für Verbesserungen besteht. Die Verwendung von LD zum direkten Pumpen eines mit Tm ³⁺ einfach dotierten festen Verstärkungsmediums zur Erzeugung eines leistungsstarken und hocheffizienten 2,3- μm -Lasers ist eine wichtige Forschungsrichtung.