Прогресс в исследованиях лазерных кристаллов среднего инфракрасного диапазона. Часть 7

1. 4  ~ 3 мкм лазерные кристаллы, легированные Er ²⁺, U ⁴⁺ , ​​Ho ³⁺ , Dy ³⁺ 

Как активный ион, Ho ³⁺достиг лазерного выхода в диапазоне ~ 3 мкм ( ⁵I ₆→ ⁵I ₇). В 1976 году исследователи впервые реализовали выход лазера с длиной волны 2,9 мкм в кристалле Ho:YAP. В 1990 году Боумен и соавт. получили выходные сигналы лазера 2,85 мкм и 2,92 мкм в кристаллах Ho: YAP, а в следующем году получили выходные сигналы лазера с полосой перестройки 2,92 мкм в кристаллах Ho: YAP. В 2017 году Ни и соавт. прокачанный Ho, Pr: LiLuF ₄  кристаллы с волоконным рамановским лазером с длиной волны 1150 нм, впервые достигнув выходной мощности лазера 2,95 мкм . В 2018 году Чжан и соавт. получили выходную мощность лазера со средней мощностью 257 мВт и дифференциальной эффективностью 0,04% в кристаллах Cr, Yb, Ho, Pr: GYSGG. В том же году Ни и соавт. достигнута максимальная выходная мощность лазера 1,27 Вт в Ho, Pr: YLiF ₄  кристалла, а дифференциальная эффективность достигла 28,3%. В 2004 г. Джексон и соавт. достигнута мощность лазера 2,5 Вт в стекловолокне Ho, Pr:ZBLAN (фторид, содержащий ZrF ₄, BaF ₂, LaF ₃, AlF ₃  и компонентов NaF) с коэффициентом наклона 29%. В 2014 году Кроуфорд и соавт. добился выходной мощности лазера 3,4 Вт и эффективности наклона 20,9% в стеклянном волокне Ho: ZBLAN с накачкой рамановским волоконным лазером.

Достигнуты возбуждающие эффекты Dy ³⁺ в качестве активных ионов в фторидных оптических стеклянных волокнах с низкой энергией фононов (ZBLAN). В 2003 году Джексон добился максимальной выходной мощности лазера 275 мВт и коэффициента полезного действия 4,5% в Dy: ZBLAN. В 2016 году Маевски сообщил о выходной мощности лазера 810 мВт в диапазоне 3,04 мкм и эффективности наклона 51% при использовании Dy: ZBLAN. В 2018 году Вудворд и соавт. использовали резонансную накачку лазера Er:ZBLAN 2,83 мкм для реализации лазерного излучения волокна Dy:ZBLAN в диапазоне 3,15 мкм с выходной мощностью 1060 мВт и эффективностью наклона до 73%. К сожалению, лазерный выход в диапазоне 3 мкм в лазерных кристаллах, легированных ионами Dy ³⁺ , до сих пор не реализован.

Основные направления развития в будущем: (1) В настоящее время активированные ионы редкоземельных элементов, которые могут достигать 2,8-3,3мвыходной сигнал лазера среднего инфракрасного диапазона при комнатной температуре в основном включает Er³⁺, Хо ³⁺и Dy ³⁺, среди которых Er ³⁺является наиболее изученным. Но в общем случае большая часть лазерного перехода, образованного Er³⁺активированные ионы линейчатые и коротковолновые. Но выход синхронизации мод фс-лазера в Er³⁺стоит с нетерпением ждать. (2) Для сравнения, количество электронов в 4f-оболочке Ho³⁺и Ди³⁺четно, а расщепление штарковских энергетических уровней в разных кристаллических полях различно, что относительно сильно зависит от кристаллического поля. Таким образом, спектр флуоресценции лазерных кристаллов, легированных Ho ³⁺и Ди³⁺в пределах 2,8-3,3мm – гладкий широкополосный спектр. Это дает настроенный (сверхбыстрый) лазерный выход, а также соединяет и расширяет Er³⁺диапазон волн в инфракрасном направлении. Разработка лазерных кристаллов (классифицированных по активным ионам и длинам волн) из Nd ³⁺и Ыб³⁺с длиной волны 1мм, Тм ³⁺и Хо³⁺с длиной волны 2мм, до Er ³⁺с длиной волны 2,6-2,8мм, а затем в Хо³⁺с длиной волны 2,8-3,3мм и Dy ³⁺и т. д., продолжают развиваться в направлении среднего инфракрасного диапазона, который является передовым направлением развития лазерных кристаллов. Очень возможно для Ho ³⁺и Dy ³⁺для достижения высокой эффективности лазерного излучения в диапазоне 2,8-3,3мм. Стеклянное волокно Ho: ZBLAN обеспечивает лазерный выход с наклонной эффективностью 21%, стекловолокно Dy:ZBLAN обеспечивает резонансную наклонную эффективность накачки до 73% выходного сигнала лазера. Но фторидное стекловолокно ZBLAN имеет много недостатков, включая растекание, стареющий центр окраски, хрупкость и сложность полировки и сварки, а стекловолокно имеет низкую концентрацию легирования, сильный нелинейный эффект и низкую энергоемкость. Поэтому в высокоэнергетических приложениях по-прежнему доминируют твердотельные лазеры. Однако исследований Ho ³⁺ немного.-легированные кристаллы в ~3мм, а эффективность наклона все еще слишком низка, чтобы иметь практическое применение. До сих пор нет отчета о лазерном выходе Dy ^3+.-легированные кристаллы в ~3мм, что ограничивает его применение в высокоэнергетической направленной инфракрасной конфронтации, биомедицине, мониторинге окружающей среды и т. д. Однако стоит ожидать ~3мВыходной сигнал лазера m-диапазона, полученный Dy³⁺легированный лазерный кристалл. (3) Учитывая, что сила осциллятора перехода энергетического уровня ионов актинидов обычно на 1–2 порядка больше, чем у ионов лантаноидов, U⁴⁺легирование - это своего рода лазерный кристалл с потенциалом развития и достойным внимания в среднем инфракрасном диапазоне.