Forschungsfortschritt von Laserkristallen im mittleren Infrarot - Teil 01

2023/03/29 12:05

2–5 μm mittlere Infrarot-Laserkristalle haben wichtige Anwendungen in gerichteten Infrarot-Gegenmaßnahmen, Terrorismusbekämpfung, Biomedizin , Umweltüberwachung, optischer Kommunikation, Starkfeldphysik, Laserfusion und mittlerem bis fernem Infrarot (nichtlineare Frequenzumwandlung). ) einfache Lichtquellen usw . Mit der damit verbundenen Entwicklung der Pumpquellentechnologie von Halbleiterlasern (Laserdioden, LD), Festkörperlasern und Faserlasern (einschließlich resonanter Pumpe) ist der Mittelinfrarotkristall zu einem der vier derzeit entwickelten Hauptlaserkristalle geworden . Im Juli 2012 hat Nature Photonics   eine Sonderausgabe „Mid-infrared Photonics“ veröffentlicht, in der der 2-20 μm Laser für mittleres bis fernes Infrarot als neue Möglichkeit im Laserbereich beschrieben wird.

Beispiel Anwendung der Starkfeldphysik: Die kinetische Energie E q   der im Lichtfeld schwingenden Elektronen bestimmt die physikalische Wirkung des starken Feldes und den Zustand der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.


Wie in Formel (1) gezeigt, ist Gl wird gemeinsam durch die Lichtintensität I   und die Wellenlänge λ bestimmt . Gegenwärtig hat die Spitzenleistung von ultrakurzen und ultraintensiven Lasern im nahen Infrarot das Petawatt-Niveau (PW, 1 PW = 10 15 W) erreicht, die fokussierte Lichtintensität kann 10 21 erreichen W/cm 2 , und E q  ist so hoch wie einige zehn MeV, wodurch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in den "relativistischen" Bereich eintritt (Elektronengeschwindigkeiten nähern sich der Lichtgeschwindigkeit). Um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in den "ultrarelativistischen" Bereich zu bringen (die Geschwindigkeit von Protonen ist nahe an der Lichtgeschwindigkeit), muss E q   stark bis auf das GeV-Niveau erhöht werden . Aus diesem Grund   Forscher in vielen Ländern , insbesondere europäische Wissenschaftler, haben eine 100-Petawatt-Ultra-High-Power-Extreme-Light-Infrastruktur (ELI) geplant. Dies ist ein Trend in der Entwicklung von ultrakurzen und ultraintensiven Lasern, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er sich entlang der ursprünglichen Route der intensiven Lasertechnologie im nahen Infrarotbereich in Richtung eines größeren Maßstabs bewegt. Aufgrund der Engpassbeschränkungen von Kernmaterialien wie Gittern und der Schlüsseltechnologie des Pulssignal-Rausch-Verhältnisses haben diese Hundert-Petawatt-Laserprojekte im nahen Infrarot in den letzten zehn Jahren jedoch keine wesentlichen Fortschritte gemacht. E q   hängt von I λ 2 ab, so dass lange Wellenlängen wie das mittlere Infrarotband (2–5 μm ) eine neue Dimension sind, um eine hohe kinetische Schwingungsenergie E q zu erhalten . Das Joint Institute of Experimental Astrophysics an der University of Colorado, das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland und das Team von Qian Liejia an der Shanghai Jiaotong University entwickeln Hochleistungs-Ultrakurzpulslasersysteme im mittleren Infrarotbereich.

Je nach Wellenlängenbereich sind die wichtigsten aktiven Ionen und entsprechenden Energieniveauübergänge, die direkt die Leistung von 2–5 μm -Mittelinfrarotlasern realisieren können , wie folgt (siehe Abbildung 1):

(1) ~ 2 μm : Tm 3+ , Ho 3+

(2) ~ 2,3 μm : Tm 3+

(3) 2~3 μm : Cr 2+

(4) ~ 3 μm : Er 3+ , Ho 3+ , U 4+ , ​​Dy 3+

(5) ~ 4 μm : Fe 2+ , Ho 3+

(6) > 4 μm : Dy 3+ , Er 3+ , Pr 3+



 Abb . . 1 Diagramm der Energieniveaus von Seltenerd-Ionen für die Laserleistung im mittleren Infrarotbereich

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