Мощные сверхбыстрые источники среднего инфракрасного диапазона на 2–5 мкм на основе двухволнового источника — Часть 1

1 Введение

Лазеры ультракоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона с длиной волны 2-5мm имеют незаменимую прикладную ценность в фундаментальных исследованиях и промышленных приложениях благодаря своему уникальному положению полосы. В области молекулярного обнаружения, 2-5мm лазеры могут резонировать с молекулами, такими как CO и N₂O, тем самым реализуя обнаружение парниковых газов и дыхательных газов. В области космической связи 3-5мДиапазон m имеет слабое поглощение в атмосфере и называется «атмосферным прозрачным окном». Системы связи, работающие в этом диапазоне, обладают высокой эффективностью связи. В области нелинейной оптики, поскольку частота отсечки, которая удовлетворяет фазовому согласованию гармоник высокого порядка, пропорциональна 1,7-й степени длины волны накачки, когда лазеры ультракоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона используются в качестве света накачки для возбуждения гармоник высокого порядка, они могут возбуждать гармоники более высокого порядка. В области биомедицины микроспектральная визуализация в среднем инфракрасном диапазоне широко рассматривается как неразрушающая, свободная от меток и высокочувствительная технология визуализации, и ее ценность в исследованиях и диагностике рака, а также в исследованиях тканей in vitro была подтверждена.

В настоящее время методы создания сверхбыстрых лазеров среднего инфракрасного диапазона включают генерацию суперконтинуума, оптические параметрические генераторы/усилители, твердотельные/волоконные лазеры среднего инфракрасного диапазона, генерацию разностной частоты внутри импульса и генерацию разностной частоты. Технология генерации суперконтинуума может расширить выходной спектр сверхбыстрых лазеров до >10 мкм⁰, но его спектральная фаза относительно сложна, а энергетическая доля определенной полосы низкая, что затрудняет вывод высокоэнергетических настраиваемых сверхкоротких импульсов. Технология оптического параметрического генератора/усилителя использует нелинейные кристаллы для достижения преобразования длины волны, при котором оптический параметрический генератор должен спроектировать полость для соответствия условиям резонанса и имеет высокие требования к конструкции оптического тракта; оптический параметрический усилитель не требует резонансной полости и имеет относительно простую структуру, но он должен обеспечивать сигнальный свет в среднем инфракрасном диапазоне и имеет более высокие требования к входному устройству. Легируя редкоземельные ионы, такие как эрбий, тулий и гольмий, в оптические волокна и кристаллы среднего инфракрасного диапазона и объединяя их с устройствами с синхронизированными модами среднего инфракрасного диапазона, выходная полоса лазерного генератора среднего инфракрасного диапазона может быть расширена примерно до 5 мкм. Кроме того, селенид цинка, легированный хромом (Cr:ZnSe) и Cr:ZnS(www.wisoptic.com)лазеры — это два типичных твердотельных лазера с синхронизацией мод в среднем инфракрасном диапазоне. Эти два материала имеют широкий спектр излучения, чрезвычайно высокую квантовую эффективность, хорошую стабильность и высокую теплопроводность, поэтому их называют «титановый сапфир в среднем инфракрасном диапазоне». Однако из-за ограничения полосы излучения усиливающей среды выходная длина волны лазера в среднем инфракрасном диапазоне не может регулироваться в большом диапазоне. Технология генерации внутриимпульсной разностной частоты использует явление саморазности частот широкого спектра в кристалле для вывода когерентного спектра в среднем инфракрасном диапазоне с полосой пропускания до 50 ТГц. Эта схема может генерировать ультракороткие импульсы со стабильной фазой несущей-огибающей и требует только одного управляющего лазера, а экспериментальное устройство относительно простое. Однако из-за ограничения собственной спектральной полосы пропускания его спектральная возможность настройки и выходная мощность все еще ограничены.