中红外混合激光器

IPG 的紧凑、高效、稳定且强大的

中红外混合光纤泵浦（光纤模块混合）

固态激光器是非金属加工、

无损检测、非侵入式医疗诊断、

激光手术刀、光谱学、遥感、

成像和 OPO 泵浦等各类应用的优选。

中红外混合激光器的产品系列

Spectral Coverage

本节主要讲述中红外混合激光器，这是一系列在 1.64 至 5.2 μm 波长范围运行的连续和脉冲固态体块激光器。中红外混合激光器利用 IPG 专有能力的协同作用，通常由 IPG 的低成本、可靠且高效的掺铒和掺铥光纤激光器泵浦，并且许多激光器使用 IPG 制造的独特有源晶圆构建而成。中红外混合激光器涵盖从连续到飞秒脉冲的所有运行模式，与掺铒、掺铥和掺镱拉曼位移连续以及脉冲 IPG 光纤激光器系列互补。

 

材料加工:

  • 塑料的切割、焊接、打标及钻孔
  • 塑料成形
  • 涂层固化
 Materials Processing  

感应及成像:

  • 生物成像
  • 艺术成像
  • 高光谱成像
  • 热熔印刷
  • 追踪/归位感应
  • 夜视系统
  • 激光雷达，多普勒
 Imaging

医疗: 

  • 诊断，治疗及外科手术
  • 呼吸分析
  • 血糖监测
  • 皮肤医学
  • 激光美容
  • 牙科应用 
 Medical  

气象学

     气候学

         天文学

              通信学

 telecom
         

光谱:

  • 分子鉴定及分子动力学
  • 二维相关红外光谱
  • 无创测量
  • 化学剂及生物分子感应/探测
 
 
 Spectroscopy  
 
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 近红外波段范围为0.7 µm-~1.5-2.0 µm，近红外与中红外之间具体的边界值取决于特定的行业、应用及检测技术。

 

近红外中红外

 

 

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近红外波段的振动图谱

Vibrational bands

From Metrohm “NIR Spectroscopy” monograph

中红外波段的振动图谱

MidIR Vibrational Bands

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• 量子级联激光器及带间级联激光器
• 铅盐半导体激光器及锑化镓激光器
• 气体激光器（CO、HeNe、倍频CO2激光器）
• 化学激光器（HF、DF） 
• DFG
• OPO/ OPA/ OPG
• 自由电子激光器
• 全固体Er:YAG/Ho:YAG
• 光纤激光器（掺铥、掺钬、掺铒）
 
• 许多中红外激光器无法在室温环境下工作，究其原因，主要是增益介质中声子的无辐射跃迁造成了发光淬灭。
 
• 尽管中红外激光器已应用于多种领域，但是现有的激光器总是或多或少有些不足，比如输出功率有限，可调谐范围有限，电光转换效率不高，足迹明显，设计复杂，冷却问题以及成本较高等等。
 
• 新兴材料加工、医疗、环境、科研等应用要求平均功率/峰值功率符合成本考量，还要能提供高脉冲能量，允许室温操作，高效，且拥有稳固的工业化应用设计。
 
接下来我们将详细介绍掺 Cr2+ 及掺Fe2+ 的ZnSe/S 电子振动固体激光器.
 
 MidIRLab
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电子振动固体激光器   以下是几种重要的电子振动激光器
• 在掺杂了过渡金属离子的增益介质中，电子态与晶格振动（声子）之间存在着一种强烈的相互作用。
• 这种电子振动反应会产生均匀加宽的结果，进而形成更大的增益带宽。
• 基于这种固体增益介质电子振动原理的激光器，可以实现较宽的波长调谐范围，同时还能应用超短脉冲。
• 首个例证为红宝石（Cr3+:Al2O3）电子振动激光器。
  
• 钛蓝宝石激光器，波长0.68-1.08 μm
• 类似于钛蓝宝石激光器的Cr3+:LiSAF、Cr3+:LiCAF激光器
• 紫翠宝石激光器（Cr3+:BeAl2O3），波长0.7-0.8 μm
• 掺铬镁橄榄石激光器（Cr4+:Mg2SiO4），波长1.17-1.34 μm
• 宽波段半导体激光器Cr2+:ZnSe/S，波长1.8-3.4 μm
• 宽波段半导体激光器Fe2+:ZnSe/S，波长3.4-5.2 μm
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掺杂Cr2+ 及 Fe2+ 的 II-VI 族增益介质 
•辐射过程可在室温条件下持续
•无辐射衰变被有效抑制
•带宽超大，可达50 % λ
•允许室温条件下操作（1.8-6.1 µm范围）
Cr/Fe : ZnSe/ZnS/CdSe 电子振动增益及被动调Q中红外激光器
 
 
TM2+:II-VI 有什么特点?
   Mid IR crystals

掺杂二价过渡金属离子（Cr2+、Co2+、V2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+）的II-VI族（II-Cd，Zn）（VI- S，Se，Te）晶体可提供较宽的能带隙，与其他氧化物及氟化物晶体相比，还具有下列特点：

  

 基质

声子能量临界值

                 vmax，cm-1

•掺入的二价过渡金属离子具有化学稳定性，无需电荷补偿。

 

  

ZnTe

ZnSe

210

250
•二价过渡金属离子形成的晶体为四面体自旋型结构，四面体的自旋会造成少量晶体场劈裂，形成红外输出。
 
  

ZnS

YAG

350

560
•声子的能量临界值极低，有助于光子在晶体中的辐射跃迁。
   YLF 860

为什么要选择 Cr2+ 和 Fe2+? 

•第一受激能级正好处于生成中红外波长的能量范围（Cr：2-3 µm；Fe：3.5-5 µm）。

•第一受激能级与基态拥有相同的自旋，因此具有相对较高的发光截面。

•更高能级的自旋较第一受激能级及基态略低，能够显著缓和受激态在泵浦或是激光器传输波长的吸收。

•基态与第一受激能级的轨道特点不同，在吸收和发出之间会出现弗兰克康登移位，从而形成宽频“类染料”性质的吸收与发射，特别适合用于可调谐激光器。

Calculated Multiplet Structure for 3d impurities in ZnSe (after A Fazzio, et al., Phys. Rev. B, 30, 3430 (1984)

 ZnSe 
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Cr:ZnSe、Cr:ZnS（左）和 Fe:ZnSe、Fe:ZnS（右）的吸收和发射截面。

cross-sections

S. Mirov、V. Fedorov、D. Martyshkin、I. Moskalev、M. Mirov、S. Vasilyev，“基于掺 Cr 和 Fe 的 II-VI 硫属化合物的中红外激光器进展”，量子电子学中 IEEE 选择的主题（特邀报告），vol. 21, no.1, 1601719 (20pp)

  

table

在 5T2↔5E 过渡时，ZnS、ZnSe 中铬和铁离子的光谱特性, σab, σem,—峰值吸收和发射截面; λab, λem— 分别为峰值吸收和发射截面波长; ΔλFWHM –半最大值全带宽;  τrad 辐射寿命; τRT(τ77K) –室温和 77K 下的荧光寿命。(2015)。 
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晶体类型 Cr2+:ZnSe Cr2+:ZnS
发射中心波长, nm 2450 2350
发射带宽, nm 860 nm 820 nm
光学损伤阈值, J/cm2 1.0 2.0
导热系统, W/(mK) 19 27
热光系数 dn/dT, K-1 70×10-6 46×10-6
吸收中心波长, µm 1.77  1.69
吸收贷款, nm 400 nm 350
荧光寿命 77K (300 K) 5.5 (5.5) 5.7 (4.3)
•上述两种增益材料都能直接生成波长范围为 2-3 µm的中红外激光。
•ZnS具有显著的热属性优势。
•Cr2+:ZnS内部温度较高时，会发生热淬灭。
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•掺杂了Cr2+离子及Fe2+离子ZnSe/S增益晶体能覆盖较宽的中红外谱区，波长高达5.2 µm。
•Cr2+:ZnSe/S的二次谐波（SHG）可延伸至近红外波段（0.9 µm起）。
•光参量振荡器（OPOs）可进一步突破波长上限。
•目前正在研究用TM:ZnSe/S达到更长的波长。
 
TM coverage 
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•作为一种增益材料，Cr2+:ZnSe/S是紧凑型光纤泵浦或二极管泵浦的连续（或模锁）激光系统的理想选择。激光系统连续调谐范围为1.8-3.4 µm@300K，输出功率高达20 W，转换效率极高（更大可达70%）。

•Fe2+:ZnSe/S晶体是室温条件下，波长范围在3.4-5.2 µm的增益开关激光器的理想选择。
 
以掺Cr2+、Co2+及Fe2离子的ZnSe/S晶体为增益材料的激光器特别适合光谱、传感、医疗、国防等应用，同时也适合用作种子激光器或中红外泵浦OPOs。 
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  • 饱和横截面大（10-18 cm2）
  • 饱和能量小（~0.1J/cm2）
  • ZnSe及ZnS基质具有良好的光学属性（损伤阙值-2 J/cm2）及物理属性

 

Cr2+:ZnSe/S及Fe2+:ZnSe/S可饱和吸收体是光谱范围在1.5-4.0 µm之间的被动调Q中红外激光器的理想介质材料。

 Passive Q-sw
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单晶体 V.S. 陶瓷

 

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如果泵浦二极管在所需光谱范围内运行，则可以使用二极管激光泵浦中红外激光器。然而，在该波长范围内，二极管泵浦有几个缺点:

  • 在 1.5-2 μm 范围内，二极管的功率低
  • 二极管具有低亮度/弱光束模式
  • 宽光谱带宽和弱线宽控制

由 1 μm 二极管泵浦的掺铒和掺铥光纤激光器的电光转换效率相当于或优于此波长范围内的直接二极管，可提供高达 200 W 的光谱纯衍射极限输出。它们可提供高功率、高亮度、精确线宽和线宽控制。

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中红外激光器分类一览
     
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Progress in Mid-IR Lasers Based on Cr and Fe-Doped II–VI Chalcogenides

Broadly Tunable Mid-Infrared Fiber-Bulk Hybrid Lasers

Multi-Watt mid-IR femtosecond polycrystalline Cr2+:ZnS and Cr2+:ZnSe laser amplifiers with the spectrum spanning 2.0–2.6 μm

Recent Breakthroughs in Solid- State Mid-IR Laser Technology

Low-cost 2-micron Laser Scalpel Uses Ceramic Gain Materials

Super-octave Longwave Mid-infrared Coherent Transients Produced by Optical Rectification of Few-cycle 2.5-μm Pulses

Frontiers of Mid-IR Lasers Based on Transition Metal Doped Chalcogenides

Octave-spanning Cr_ZnS Femtosecond Laser with Intrinsic Nonlinear Interferometry

Characterization of High-Harmonic Emission from Zno up to 11 Ev Pumped with a Cr_Zns High-Repetition-Rate Source

IPG提供Cr2+，Co2+及Fe2+离子扩散ZnSe/ZnS多晶陶瓷增益材料及可饱和吸收体。IPG以制造生产的掺Fe2+及Cr2+离子的ZnSe/ZnS兼具成本低，产量大、多样化、损耗少，金属离子分布均匀，重复性及可靠性高等多重优势，是1.8-6 µm激光器增益介质的理想选择。Cr2+:ZnSe/S及Fe2+:ZnSe/S激光器特别适合激光光谱、传感、医疗、国防等应用，同时也适合用于种子激光器或中红外泵浦OPOs。   crystals

Cr2+:ZnSe 及 Cr2+:ZnS 激光激活材料

独特的泵浦光源组合（掺铒光纤、掺过渡金属光纤、通讯或InP二极管、Er:YAG/YLF、Tm:YAG/YLF），再加上独特的技术特点（低成本陶瓷材料）、光学及光谱特点（超宽频增益带宽、超高乘积及极高的吸收系数）使其成为紧凑型激光器系统的理想增益材料。激光系统的连续调谐范围为1.8-3.4 µm@300K，输出功率高达30 W，转换效率极高（高达70%）。

Cr2+:ZnSe/S激光器特别适合激光光谱、传感、医疗、国防等应用，同时也适合用于种子激光器或中红外泵浦OPOs。

IPG以特有的技术制造生产的Cr2+:ZnSe/ZnS离子扩散晶体材料具有成本低，产量大、多样化、损耗少，金属离子分布均匀，重复性及可靠性高的多重优势。

  

uniformly doped chromium ZnSe/S

Uniformly-doped 5 x 5 x 20 mm Cr:ZnSe Crystals

基于IPG增益介质的 Cr:ZnSe/S 激光器的输出参数

激光特性 输出参数
连续输出功率, W  30
连续调谐范围, nm  1800 - 3400
连续，效率, %  70
Free-running Energy, J 1.05 @7 ms
增益开关，能量, mJ 20 @ 15 ns
模锁脉宽, fs 50 @ 2 W

Fe2+:ZnSe 激光激活材料

Fe2+:ZnSe晶体是室温条件下，调谐范围在3.4-5.2 µm的增益开关激光器的理想增益材料，特别适合激光光谱、传感、医疗、国防等应用，同时也适合用于种子激光器或中红外泵浦OPOs。

 IPG以特有的技术制造生产的Fe2+:ZnSe/ZnS晶体材料兼具成本低，产量大、多样化、损耗低，金属离子分布均匀，重复性及可靠性高的特点。

  

Mid IR Crystals

 

TM:ZnSe/S Crystals

Fe:ZnSe 激光器的特点

激光特性

 输出参数
连续输出功率, W 2
调谐范围, nm 3400 - 5200
效率, % 30
Free-running Energy, J 0.42 @ 250 μs @ 5 Hz
Free-running Average Power, W 35 @ 150 μs @ 100 Hz
增益开关，能量, mJ 5 @ 15 ns

 

如需更多信息，请联系IPG工作人员。

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Co2+:ZnS, Cr2+:ZnS 及 Cr2+:ZnSe 被动调Q激光器

Co2+:ZnS，Cr2+:ZnS及Cr2+:ZnSe可饱和吸收体（SA）是波长范围为“人眼安全”范围的被动调Q激光器及1.5-2.1 µm固体激光器的理想选择。基于这种增益材料的激光器广泛应用于多种领域，包括自由空间通信系统、目标指示、飞行时间激光激光测距、外科手术、反射测量、激光雷达等。

IPG提供多种Co2+:ZnS、Co2+:ZnSe、Cr2+:ZnS、Cr2+:ZnSe离子扩散多晶体，适合于波长范围在1.5-2.1 µm  的调Q激光器。

 

 

  

Co Cr Zn Se S

Samples of Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe and 
Co2+:Zns Saturable Absorbers

 

材料属性 

晶体属性   ZnS  ZnSe
晶系 立方体  立方体
晶体对称类  ...  43 m
机械属性    
密度, g/cm3

4.09

  5.27
杨氏模量, Pa 7.45×1010  7.03×1010
泊松比  0.28 0.28 
热属性    
热膨胀, deg C-1  6.5×10-6  7.6×10-6
热导系数, W/(m deg C)  27.2 16 
比热, J/(kg deg C)  0.515×103 0.339×103 
光学属性    
折射率@ 1.0 µm 2.29  2.49
dn/dt, deg C-1  5.4×10-5 6.1×10-5 
传输范围, µm  0.37 - 14 0.55 - 20 

 

Q开关 Cr:ZnS Cr:ZnSe Co:ZnS Co:ZnSe
σGSA (@ 1.54 µm)  1.6×10-18  1.3×10-18 0.7×10-18 0.76×10-18
σESA (@ 1.54 µm)  0  0.02×10-18  0.1×10-18  0.1×10-18
τGSA (@ 1.54 µm)   5 µs  8 µs  200 µs 290 µs 
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 Fe2+:ZnSe, Fe2+:ZnS 被动调Q激光器

Fe2+:ZnSe及Fe2+:ZnS可饱和吸收体（SA）是光谱范围为2.5-4.0 µm的被动调Q固体激光器的理想增益材料（如3.0 µm Er:YAG/YSGG/YLF），主要用于中红外泵浦OPOs及众多医疗及牙科应用。

 

IPG以独有的技术制造生产的离子扩散Fe2+:ZnSe/ZnS兼具成本低，产量大、多样化、损耗少，金属离子分布均匀，重复性及可靠性高的特点。

  

Fe Q sw

 Fe2+:ZnSe 单晶和多晶陶瓷可饱和吸收体的样本

 

晶体 峰值吸收系数, cm-1 上能级寿命 
@ 300 K, µs		 σGSA @ 
2.8 µm, 10-20 cm2		 σgsa/σesa σgsa/σYSGG
Fe:ZnSe 1-20 0.37 90 0 30
Fe:ZnS 1-20 <0.3 130 0 43

可饱和吸收体Q开关标准如下

 

Fe2+:ZnSe/S可成为Cr:Er:YSGG激光器的可饱和吸收体Q开关，无需腔内聚焦。单模和多模能量输出分别为15 mJ和85 mJ。Fe2+:ZnSe/S晶体饱和截面大，能量低，ZnSe及ZnS基质具有卓越的光学特点（损伤阙值2 J/cm2）及物理特点，是中红外被动调Q激光器的理想选择。

如需更多信息，请联系 IPG 工作人员

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TM_ZnSE_S_Series 产品资料

Passive Q-switch Co_ZnS Cr_ZnS and Cr_ZnSe 产品资料

Passive Q-switch Fe_ZnS and Fe_ZnSe 产品资料

 

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