Forschungsfortschritt von Laserkristallen im mittleren Infrarotbereich – Teil 07

1. 4  ~ 3 μm Laserkristalle dotiert mit Er ²⁺, U ⁴⁺ , ​​Ho ³⁺ , Dy ³⁺ 

Als aktives Ion hat Ho ³⁺eine Laserleistung im ~3 μm -Band erreicht ( ⁵I ₆→ ⁵I ₇). Im Jahr 1976 realisierten Forscher erstmals eine Laserleistung von 2,9 μm in einem Ho:YAP-Kristall. Im Jahr 1990 stellten Bowman et al. erzielten Laserleistungen von 2,85 μm und 2,92 μm in Ho:YAP-Kristallen und erhielten im folgenden Jahr bandabgestimmte Laserleistungen von 2,92 μm in Ho:YAP-Kristallen. Im Jahr 2017 haben Nie et al. gepumptes Ho, Pr: LiLuF ₄  Kristalle mit einem 1.150-nm-Raman-Faserlaser und erreichten erstmals eine Laserleistung im Wattbereich von 2,95 μm . Im Jahr 2018 haben Zhang et al. erzielten eine Laserleistung mit einer durchschnittlichen Leistung von 257 mW und einer Steigungseffizienz von 0,04 % in Cr-, Yb-, Ho- und Pr:GYSGG-Kristallen. Im selben Jahr stellten Nie et al. erreichte die höchste Laserausgangsleistung von 1,27 W in Ho, Pr: YLiF ₄  Kristall, und die Steigungseffizienz erreichte 28,3 %. Im Jahr 2004 stellten Jackson et al. erreichte eine Laserleistung von 2,5 W in Ho, Pr:ZBLAN-Glasfaser (Fluorid mit ZrF ₄, BaF ₂, LaF ₃, AlF ₃₎ .  und NaF-Komponenten) mit einer Steigungseffizienz von 29 %. Im Jahr 2014 haben Crawford et al. erreichten eine Laserleistung von 3,4 W und einen Steigungswirkungsgrad von 20,9 % in einer Ho:ZBLAN-Glasfaser, die von einem Raman-Faserlaser gepumpt wurde.

Es werden aufregende Effekte von Dy ³⁺ als aktive Ionen in optischen Fluorid-Glasfasern mit niedriger Phononenenergie (ZBLAN) erzielt. Im Jahr 2003 erreichte Jackson eine Laserleistung mit einer maximalen Ausgangsleistung von 275 mW und einer Steigungseffizienz von 4,5 % in Dy:ZBLAN. Im Jahr 2016 berichtete Majewsky über eine Laserleistung von 810 mW im 3,04- μm -Band und einen Steigungswirkungsgrad von 51 % durch die Verwendung von Dy:ZBLAN. Im Jahr 2018 haben Woodward et al. verwendeten Er:ZBLAN 2,83 μm Laserresonanzpumpen, um die Laserleistung einer Dy:ZBLAN-Faser im 3,15 μm -Band mit einer Ausgangsleistung von 1.060 mW und einem Steigungswirkungsgrad von bis zu 73 % zu realisieren. Leider wurde die Laserleistung im 3 μm -Band von mit Dy ³⁺ -Ionen dotierten Laserkristallen bisher nicht realisiert.

Die wichtigsten Entwicklungstrends in der Zukunft: (1) Derzeit können die durch Seltene Erden aktivierten Ionen 2,8 bis 3,3 erreichenMDie Laserleistung im mittleren Infrarotbereich bei Raumtemperatur umfasst hauptsächlich Er³⁺, Ho ³⁺und Dy ³⁺, darunter Er ³⁺ist die am meisten untersuchte. Aber im allgemeinen Zustand wird der größte Teil des Laserübergangs durch das Er gebildet³⁺Aktivierte Ionen sind linienförmig und kurzwellig. Aber die modengekoppelte Ausgabe des fs-Lasers in Er³⁺es lohnt sich, sich darauf zu freuen. (2) Im Vergleich dazu ist die Anzahl der Elektronen in der 4f-Schale von Ho³⁺und Dy³⁺ist gleichmäßig und die Aufteilung des Stark-Energieniveaus in verschiedenen Kristallfeldern ist unterschiedlich, was relativ stark vom Kristallfeld beeinflusst wird. Daher wird das Fluoreszenzspektrum der mit Ho ³⁺ dotierten Laserkristalle erzeugtund Dy³⁺im Bereich von 2,8-3,3Mm ist ein glattes Breitbandspektrum. Dies sorgt für eine abgestimmte (ultraschnelle) Laserleistung und verbindet und erweitert den Er³⁺Wellenbereich in die Infrarotrichtung. Die Entwicklung von Laserkristallen (klassifiziert nach aktiven Ionen und Wellenlängen) aus Nd ³⁺und Yb³⁺mit einer Wellenlänge von 1Mm, Tm ³⁺und Ho³⁺mit einer Wellenlänge von 2Mm, bis Er ³⁺mit einer Wellenlänge von 2,6-2,8Mm, und dann zu Ho³⁺mit einer Wellenlänge von 2,8-3,3Mm und Dy ³⁺usw. entwickeln sich weiter in Richtung des mittleren Infrarots, das die Spitze der Laserkristallentwicklung darstellt. Für Ho ³⁺ ist das durchaus möglichund Dy ³⁺um eine hocheffiziente Laserleistung im Bereich von 2,8–3,3 zu erreichenMM. Die Glasfaser Ho:ZBLAN hat eine Laserleistung mit einem Neigungswirkungsgrad von 21 % erreicht, die Glasfaser Dy:ZBLAN hat eine Laserleistung mit einem Neigungswirkungsgrad des Resonanzpumpens von bis zu 73 % erreicht. Aber ZBLAN-Fluoridglasfasern haben viele Nachteile, einschließlich Zerfließen, alterndes Farbzentrum, Zerbrechlichkeit und schwieriges Polieren und Schweißen, und die Glasfaser weist eine niedrige Dotierungskonzentration, einen starken nichtlinearen Effekt und eine geringe Energietragfähigkeit auf. Daher werden Hochenergieanwendungen immer noch von Festkörperlasern dominiert. Allerdings gibt es nur wenige Studien zu Ho ³⁺-dotierte Kristalle im ~3Mm-Band, und die Steigungseffizienz ist immer noch zu gering, um eine praktische Anwendung zu finden. Bisher gibt es keinen Bericht über die Laserleistung von Dy ³⁺-dotierte Kristalle in ~3Mm-Band, was seine Anwendung in der hochenergetischen direktionalen Infrarotkonfrontation, Biomedizin, Umweltüberwachung usw. einschränkt. Es lohnt sich jedoch, sich auf das ~3 zu freuenMDie vom Dy erhaltene m-Band-Laserleistung³⁺dotierter Laserkristall. (3) Wenn man bedenkt, dass die Oszillatorstärke des Energieniveauübergangs von Actinid-Ionen im Allgemeinen 1 bis 2 Größenordnungen größer ist als die von Lanthanoid-Ionen, U⁴⁺Dotierung ist eine Art Laserkristall mit Entwicklungspotenzial, der im mittleren Infrarotbereich Beachtung verdient.