Прогресс в исследованиях лазерных кристаллов среднего инфракрасного диапазона. Часть 1

Лазерные кристаллы среднего ИК-диапазона с длиной волны 2–5 мкм имеют важные применения в направленных инфракрасных контрмерах, борьбе с терроризмом, биомедицине , мониторинге окружающей среды, оптической связи, физике сильного поля, лазерном термоядерном синтезе и среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (нелинейное преобразование частоты). ) основные источники света и т.д. С сопутствующим развитием технологии источника накачки полупроводникового лазера (лазерный диод, LD ), твердотельного лазера и волоконного лазера (включая резонансную накачку) кристалл среднего инфракрасного диапазона стал одним из четырех основных лазерных кристаллов, разрабатываемых в настоящее время . В июле 2012 г. журнал Nature Photonics   опубликовал специальный выпуск «Фотоника среднего инфракрасного диапазона», в котором лазер среднего и дальнего инфракрасного диапазона с длиной волны 2–20 мкм рассматривается как новая возможность в лазерной области.

Возьмем в качестве примера применение физики сильного поля: кинетическая энергия E _q  электронов, колеблющихся в световом поле, определяет физический эффект сильного поля и состояние взаимодействия между светом и веществом.

Как показано в формуле (1), E _q совместно определяется интенсивностью света I  и длиной волны λ . В настоящее время пиковая мощность сверхкоротких и сверхинтенсивных лазеров ближнего инфракрасного диапазона достигла уровня петаватт (ПВт, 1 ПВт = 10 ¹⁵ Вт), интенсивность сфокусированного света может достигать 10 ²¹ Вт/см ² , а E _q   достигает десятков МэВ, что приводит к тому, что взаимодействие света и вещества входит в «релятивистскую» область (скорости электронов приближаются к скорости света). Чтобы продвинуть взаимодействие света с веществом в «ультрарелятивистскую» область (скорость протонов близка к скорости света), E _q  нужно сильно увеличить до уровня ГэВ. По этой причине   исследователи во многих странах , особенно европейские ученые, запланировали сверхмощную 100-петаваттную инфраструктуру экстремального освещения (ELI). Это тенденция в развитии сверхкоротких и сверхинтенсивных лазеров, которая характеризуется движением в сторону большего масштаба по первоначальному маршруту интенсивной лазерной технологии ближнего инфракрасного диапазона. Однако из-за узких мест в материалах сердечника, таких как решетки, и ключевой технологии отношения импульсного сигнала к шуму, эти проекты лазеров в сотню петаватт ближнего инфракрасного диапазона не добились существенного прогресса за последние десять лет. E _q  зависит от I λ ² , поэтому длинные волны, такие как средний инфракрасный диапазон (2-5 мкм ), являются новым измерением для получения высокой кинетической энергии колебаний E _q . Объединенный институт экспериментальной астрофизики Университета Колорадо, Институт квантовой оптики имени Макса Планка в Германии и команда Цянь Лецзя из Шанхайского университета Цзяотун разрабатывают мощные сверхбыстрые лазерные системы среднего инфракрасного диапазона.

В зависимости от диапазона длин волн основными активными ионами и соответствующими переходами энергетических уровней, которые могут непосредственно реализовать выходную мощность лазеров среднего инфракрасного диапазона 2–5 мкм , являются следующие (см. Рисунок 1):

(1) ~ 2 мкм : Tm ³⁺ , Ho ³⁺

(2) ~ 2,3 мкм : ^Tm 3+

(3) 2~3 мкм : Cr ²⁺

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

(5) ~ 4 мкм : Fe ²⁺ , Ho ³⁺

(6) > 4 мкм : Dy3 ⁺ , Er3 ⁺ , Pr3 ⁺

 Рис . 1 Диаграмма уровней энергии редкоземельных ионов для выходного излучения лазера среднего инфракрасного диапазона