Produktübersicht Mid-IR Hybridlaser
In diesem Bereich erfahren Sie mehr über unsere Mid-IR Hybridlaser, die als Festkörper-Masse-Laser sowohl im gepulsten Betrieb mit Pulsdauern im Nano-, Piko- und Femtosekundenbereich, als auch im CW Betriebsmodus verfügbar sind. Sie decken den Wellenlängenbereich von 1,64 bis 5,2 μm ab. Dank unserer hauseigenen Technologien können die Mid-IR Hybridlaser mit IPGs kostengünstigen, zuverlässigen und effizienten Erbium- und Thulium-Lasern gepumpt werden und viele Modelle sind ebenfalls mit IPGs einzigartigen aktiven Kristallen ausgestattet.
Mid-IR Anwendungen
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Materialbearbeitung:
- Kunststoffschneiden, Schweißen, Markieren, Bohren
- Kunststoffumformung
- Aushärten von Beschichtungen
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Sensorik und Bildgebung:
- Bioimaging
- Art Imaging
- hyperspektrale Bildverarbeitung
- Thermographie
- Nachverfolgung/ Zielanfahrt
- Nachtsicht
- LIDAR, Dopplerstreuung
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Medizin:
- Diagnose, Therapie, Chirurgie;
- Atemtest-Analysen
- Blutzuckermessung
- Dermatologie
- kosmetische Behandlungen
- Zahnheilkunde
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Meteorologie
Klimaforschung
Astronomie
Kommunikation
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Spektroskopie:
- molekulare Identifizierung und Dynamik
- 2D IR-korrelierte Spektroskopie
- nicht-invasive, zerstörungsfreie Messungen
- Erkennung chemischer Wirkstoffe und biomolekulare Sensorik/ Erfassung
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Verteidigung:
- (D)IRCM-Systeme
- Zielbeleuchtung und -kennzeichnung
- verdeckte Kommunikation
- Sichtlinienkommunikation
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Infrarotbereiche
Der Bereich des Nah-IR Spektrums erstreckt sich von 0,7 µm bis etwa 1,5-2,0 µm, die genaue Grenze zwischen NIR und Mid IR kann je nach Markt, Anwendung oder Detektionstechnologie unterschiedlich gesetzt werden.
Nah-IR und Mid IR Schwingungsbänder
Nah-IR Schwingungsbänder
Abbildung aus Metrohm, NIR-Spectroscopy, A Guide to Near-infrared Spectroscopic Analysis of Industrial Manufacturing Processes, 17 (2013). Zugriff unter: https://www.metrohm.com/en/products/spectroscopy/nirs-lab-analyzers/
Mid IR Schwingungsbänder
Vorhandene Mid-IR Quellen
• Quanten- und Intraband-Kaskadenlaser
• Bleisalz- und GaSb-Laser
• Gaslaser (CO2,CO, HeNe, frequenzverdoppeltes CO2)
• Chemische Laser (HF, DF)
• DFG
• OPO/ OPA/ OPG
• Freie-Elektronen-Laser
• Massenhalbleiter wie Er:YAG, Ho:YAG, Ho:YLF und andere
• Faserlaser (Thulium, Holmium und Erbium dotiert)
• Zahlreiche Mid-IR Laser funktionieren bei Raumtemperatur nicht aufgrund der Deaktivierung von im Verstärkungsmedium akkumulierter Energie durch strahlungslose phononunterstützte Umwandlung.
• Obwohl bestehende Mid-IR Quellen bereits in vielen Anwendungen zum Einsatz gekommen sind, haben sie einen oder mehrere Nachteile: begrenzte Ausgangsleistung, eingeschränkte Wellenformenauswahl, begrenzter Abstimmbarkeitsbereich, geringer Gesamtwirkungsgrad, große Messpunktfläche, komplexe Konstruktion, Kühlung und hohe Kosten.
• Zahlreiche entstehende Anwendungen in den Bereichen Materialbearbeitung, Medizin, Umwelt, Wissenschaft, usw. könnten durch preiswerte Durchschnitts- und Spitzenleistung, hohe Pulsenergien, Betrieb bei Raumtemperatur und ein effizientes und robustes kommerzielles Design ermöglicht werden.
Hier kommen die vibronischen Cr2+ und Fe2+ dotierten ZnSe/S Halbleiterlaser ins Spiel.
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Vibronische Halbleiterlaser
| Vibronische Halbleiterlaser |
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Die wichtigsten Arten von vibronischen Halbleiterlasern sind |
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• In mit Übergangsmetallionen dotierten Laserverstärkungsmedien gibt es eine starke Interaktion der elektronischen Zustände mit Gitterschwingungen, d.h. mit Phononen.
• Diese (vibronische) elektronische Schwingungsinteraktion führt zu einer starken homogenen Ausweitung und somit zu einer großen Verstärkungsbandbreite.
• Auf vibronischen Halbleiter-Verstärkungsmedien basierende Laser ermöglichen eine Wellenlängenabstimmungen über breite Bereiche wie auch die Erzeugung ultrakurzer Impulse.
• Der erste demonstrierte Laser war ein Rubinlaser (Cr3+:Al2O3), ein vibronischer Laser.
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• Ti:Saphir-Laser 0,68 bis 1,08 μm
• Cr3+:LiSAF und Cr3+:LiCAF Laser ähnlich Ti:S
• Alexandrit-Laser (Cr3+:BeAl2O3) 0,7 bis 0,8 μm
• Chrom-Forsterit-Laser (Cr4+:Mg2SiO4) 1,17 bis 1,34 μm
• Cr2+:ZnSe/S Breitbandhalbleiter 1,8 bis 3,4 μm
• Fe2+:ZnSe/S Breitbandhalbleiter 3,4 bis 5,2 μm
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Warum Cr und Fe ZnS/Se als Mid-IR Verstärkungsmedien?
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Cr2+ und Fe2+ dotierte II-VI Verstärkungsmedien
•Strahlungsprozesse können bei Raumtemperatur aufrechterhalten werden
•Strahlenlose Umwandlung wird unterdrückt
•Ultrabreitband bis zu 50 % λ,
•Raumtemperaturbetrieb über Bereich 1,8-6,1 mm
Cr/Fe : vibronische ZnSe/ZnS/CdSe Laser: eine tragfähige Verstärkung und Mid IR Medien mit passivem Q-Schalter
Was ist das Besondere an TM2+:II-VI?
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TM (Cr2+, Co2+, V2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+ ) dotierte II-VI (II-Cd, Zn) (VI- S, Se, Te) Verbindungen haben eine große Bandlücke und einige wichtige Merkmale, die sie von anderen Oxid- und Fluorid-Laserkristallen unterscheiden.
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Host
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Maximale Phononenfrequenz, cm-1
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•Chemisch beständige zweiwertige TM Dotierstoffionen, Ladungskompensation nicht erforderlich.
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ZnTe
ZnSe
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210
250
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•Kristallisation als vierflächig koordinierte Strukturen, tetraedrische Koordination (Td) ergibt eine kleine Kristallfeldspaltung, wobei die Dotierstoffübergänge im IR platziert werden.
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ZnS
YAG
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350
560
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•Die optische Phonon-Abschneidung erfolgt mit sehr geringer Energie, was die Aussichten auf eine Strahlungsumwandlung der Mid-IR Lumineszenz in diesen Kristallen maximiert.
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YLF |
860 |
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Warum Cr2+ & Fe2+?
•Die ersten Anregungsstufen treffen auf die richtige Energie zu Erzeugung einer Mid IR-Emission von 2-3 (Cr) und 3,5-5 mm (Fe).
•Die Grundebene und die ersten Anregungsebenen weisen die gleiche Drehung auf und werden daher einen relativ hohen Emissionsquerschnitt haben.
•Höherliegende Ebenen haben geringere Drehungen als die Grundebene und die ersten Anregungsebenen, was das Potential für eine signifikante Absorption des Anregungszustands an der Pumpe oder Laserübergangswellenlängen stark abschwächt.
•Die Umlaufeigenschaften am Boden und auf den ersten Anregungsebenen sind unterschiedlich und unterliegen einer deutlichen Franck-Condon-Verschiebung zwischen Absorption und Emission, was breitbandige „farbstoffartigen“ Absorptions- und Emissionseigenschaften zur Folge hat, die für einen grob abstimmbaren Laser geeignet sind.
Calculated Multiplet Structure for 3d impurities in ZnSe (nach A Fazzio, et al., Phys. Rev. B, 30, 3430 (1984)
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Die oberen Vier: Cr:ZnSe/Cr:ZnS und Fe:ZnSe/Fe:ZnS
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Absorptions- und Emissionsquerschnitte von Cr:ZnSe, Cr:ZnS (links) und Fe:ZnSe, Fe:ZnS (rechts).
S. Mirov, V. Fedorov, D. Martyshkin, I. Moskalev, M. Mirov, S. Vasilyev, “Progress in Mid-IR Lasers Based on Cr and Fe Doped II-VI Chalcogenides”, IEEE Selected Topics in Quantum Electronics (Angeforderte Abhandlung), Band 21, Nr. 1, 1601719 (20pp) (2015).
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Spektroskopische Merkmale von Chrom- und Eisenionen in ZnS, ZnSe bei 5T2↔5E Übergänge, σab, σem,—Spitzenabsorptions- und Emissionsquerschnitte; λab, λem—Wellenlängen der Spitzenabsorptions- bzw. Emissionsquerschnitte; ΔλFWHM –volle Bandbreite beim halben Maximum; τrad Strahlungslebensdauer; τRT(τ77K) –Lumineszenzlebensdauer bei Raumtemperatur und 77K.
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Vergleich von Cr:ZnSe und Cr:ZnS
| Materialeigenschaft |
Cr2+:ZnSe |
Cr2+:ZnS |
| Zentrale Emissionswellenlänge, nm |
2450 |
2350 |
| Emissionsbandbreite, nm |
860 nm |
820 nm |
| Optische Zerstörschwelle, J/cm2 |
1,0 |
2,0 |
| Wärmeleitfähigkeit, W/(mK) |
19 |
27 |
| Thermooptischer Koeffizient dn/dT, K-1 |
70×10-6 |
46×10-6 |
| Zentrale Absorptionswellenlänge, µm |
1,77 |
1,69 |
| Absorptionsbandbreite, nm |
400 nm |
350 |
| Fluoreszenzlebensdauer bei 77 K (300 K) |
5,5 (5,5) |
5,7 (4,3) |
•Beide Verstärkungsmaterialien eignen sich zur direkten Erzeugung einer Mid-IR Laserstrahlung im Spektralbereich von 2-3 µm
•Der ZnS-Host hat deutlich bessere thermische Eigenschaften
•Cr2+:ZnS leidet unter thermischer Abschreckung bei hohen internen Temperaturen
Spektrale Abdeckung von Übergangsmetall-dotierten ZnS/Se Verstärkungsmedien
•Cr2+ und Fe2+ ZnSe/S Verstärkungsmedien ermöglichen eine breite Abdeckung des Mid IR-Bereichs bis zu 5,2 Mikron
•SHG von Cr2+ ZnSe/S erweitert die Abdeckung in den Nah-IR-Bereich (ab 0,9 Mikron)
•OPOs erweitern die Abdeckung auf längere Wellenlängen
•Momentan laufen Forschungsarbeiten zur Erweiterung der TM-dotierten ZnSe/S Abdeckung auf längere Wellenlängen
Mid-IR Verstärkungsmaterialien
•Cr2+ : ZnSe/S sind die Verstärkungsmaterialien der Wahl, wenn ein kompaktes faser- oder diodengepumptes CW (oder modengekoppeltes) System mit kontinuierlicher Abstimmbarkeit bei 300K über 1,8-3,4 µm, Ausgangsleistungen bis zu 20 W und hohem (bis zu 70 %) Umwandlungswirkungsgrad benötigt wird.
•Fe2+ :ZnSe/S Kristalle sind ideale Verstärkungsmaterialien für bei Raumtemperatur verstärkungsgeschaltete Laser, die über einen Spektralbereich von 3,4-5,2 mm einstellbar sind.
Auf Cr2+, Co2+ und Fe2+ basierende Laser: ZnSe/ZnS-Kristalle sind vielversprechend für Anwendungen aus den Bereichen Spektroskopie, Sensorik, Medizin und Verteidigung sowie zum Säen oder Pumpen von optischen parametrischen Oszillatoren im mittleren Infrarotbereich.
Cr und Fe: Passive ZnSe/S Q-Schalter-Medien
- Hohe Werte für den Sättigungsquerschnitt (10-18 cm2)
- Geringe Sättigungsenergie (~0,1 J/cm2)
- Gute optomechanische (Zerstörschwelle - 2 J/cm2) und physikalische Merkmale von ZnSe und ZnS Hosts
Cr2+ und Fe2+: ZnSe/S sättigbare Absorber sind ideale Materialien für die passive Q-Schaltung von Laserkavitäten im mittleren Infrarotbereich, die im Spektralbereich von 1,5-4,0 µm arbeiten
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Einkristalle und Keramik
Vorzüge des Faserlaserpumpens
Das Diodenlaserpumpen von mittleren Infrarotlasern kann Anwendung finden, sofern die Pumpendioden im erforderlichen Spektralbereich arbeiten. Diodenpumpen in diesem Wellenlängenbereich haben jedoch einige Nachteile: Dioden im Bereich von 1,5-2 μm mit geringer Leistung Dioden mit geringer Helligkeit/schwachem Strahlqualität Große spektrale Bandbreite und schlechte Linienbreitensteuerung Von 1 μm-Dioden gepumpte Er und Tm Faserlaser haben Gesamtwirkungsgrade, die direkten Dioden in diesem Wellenlängenbereich entsprechen oder diese sogar übertreffen und können eine spektral reine beugungsbegrenzte Ausgangsleistung von bis zu 200 W bereitstellen. Sie bieten hohe Leistung, große Helligkeit und präzise Linienbreite und Linienbreitensteuerung.
