Postępy naukowców w dziedzinie technologii laserów średniej podczerwieni

Region średniej podczerwieni jest szczególnie interesujący dla wielu zastosowań, ponieważ jego częstotliwości elektromagnetyczne pokrywają się z częstotliwościami wibracji wewnętrznej większości cząsteczek. W związku z tym stworzenie źródeł światła w paśmie średniej podczerwieni stwarza nowe możliwości, zwłaszcza w spektroskopii w porównaniu z konwencjonalnymi spektrometrami z transformatą Fouriera. Głównymi korzyściami są spójność, krótki czas trwania impulsu i wysoka jasność spektralna.

Naukowcy skupieni w ramach projektu ASEL-MID-IR (Compact, high-energy, and wavelength-diverse coherent mid-infrared source) pracowali nad konwersją częstotliwości laserów stałych pracujących w zakresie od bliskiej do średniej podczerwieni. Za pomocą optycznego oscylatora parametrycznego (OPO) zawierającego elementy nieliniowe, wejściowe fale laserowe laserów stałych (pompowane) przekształcono w fale o wyższej długości fali.

W oparciu o szczegółową analizę piśmiennictwa dotyczącego architektur laserów stałych, naukowcy zastosowali laser światłowodowy domieszkowany tulem i laser domieszkowany holmem typu Q-switch YAG pracujący na fali długości 2,1 mikrometra. Te źródła wykazują lepsze zdolności odprowadzania ciepła i skalowanie mocy niż konwencjonalne lasery stałe pracujące na fali 1 μm. OPO skonstruowany za pomocą kryształu ZGP i z nieliniowością drugiego rodzaju konwertował długość fali tych źródeł w fale średniej podczerwieni.

Laser domieszkowany holmem typu YAG wytwarzał impuls wyjściowy o mocy ponad 25 W i fali 2,1 μm o częstości powtarzania impulsów wynoszącej 10-200 kHz i czasie trwania impulsu poniżej 15 ns. OPO zawierający kryształ wytarzał sygnał wyjściowy w widmie średniej podczerwieni przy średniej mocy ponad 5 W i długości fali od 3,5 do 5 μm. Wydajność konwersji wyniosła około 40%, przekraczające początkowe szacunki.

Zastosowanie alternatywnych konfiguracji OPO, takich jak OPO wewnątrzwnękowy, wykazało, że sygnał wyjściowy można przekształcić ponownie w sygnał pompowany, tym samym naśladując nośnik nieliniowy trzeciego rzędu. Aby wykorzystać generację trzeciej harmonicznej, zespół projektu użył lasera ramanowskiego z wnęką zewnętrzną z kryształem BaWO4. Wygenerowana długość fali była najdłuższą, jaką kiedykolwiek odnotowano w skalowaniu mocy wyjściowej na poziomie watów. Pokrywanie się zakresu widm źródłowych z oknem absorpcji pary wodnej otwiera drogę do nowych zastosowań w higrometrii podczerwieni i detekcji gazów.

Naukowcy ostatecznie zastąpili laser światłowodowy domieszkowany tulem opracowanym przez siebie diodowym laserem tulowym, zawierającym jako medium laserowe kryształ YLF dla zapewnienia niewielkich rozmiarów prototypowego rozwiązania.

Lista zastosowań laserów pracujących w zakresie średniej podczerwieni wydłuża się. Prototypy kompaktowych i przenośnych źródeł światła w paśmie średniej podczerwieni o wysokich częstotliwościach powtarzania impulsów i wysokiej mocy wyjściowej, powstałe w ramach projektu ASEL-MID-IR, mogą się okazać przydatne w sektorze zabezpieczeń, diagnostyki medycznej i urządzeniach do wykrywania gazu.