中赤外ハイブリッドレーザー

IPGのコンパクトで高効率、堅牢でパワフルな

中赤外ハイブリッドファイバー励起型

（ファイバー/ハイブリッド）半導体

レーザーは、非金属加工、非破壊加工、

非侵襲性医療診断、レーザーメス、分光法、

遠隔感知、画像処理、OPO励起

など幅広いアプリケーション用に選ばれています。

中赤外ハイブリッドの製品範囲

Spectral Coverage

このセクションでは、1.64～5.2 μm波長範囲で動作するCWおよびパルス半導体レーザー群、中赤外ハイブリッドレーザーをご紹介します。IPGの専有機能による相乗効果を利用した中赤外ハイブリッドレーザーは通常、IPGの低コスト、高信頼、高効率なErおよびTmファイバーレーザーで励起され、多くはIPG製の独自の活性結晶で製造されています。中赤外ハイブリッドレーザーは、CWからfsパルスまですべての動作モードに対応し、Er、Tm、Yb、ラマン変換CWおよびパルスIPGファイバーレーザー群を補完します。

 

材料加工：

  • プラスチックの切削加工、溶接、マーク付け、穴あけ加工

  • プラスチックの成形

  • コーティングの硬化
 Materials Processing  

センシングおよび画像処理

  • 生体撮像

  • 生体撮像

  • ハイパースペクトル撮像

  • サーモグラフィ

  • 追跡/自動誘導

  • 暗視

  • LIDAR、ドップラー散乱
 Imaging

医療： 

  • 診断、治療、手術

  • 飲酒検知器

  • グルコース監視

  • 皮膚科

  • 美容目的の処置

  • 歯科アプリケーション
 Medical  

気象学

     気候学

         天文学

              通信

 telecom
         

分光法：

  • 分子的同定および分子力学

  • 2D IR相関分光分析

  • 非侵襲性、非破壊測定

  • 化学薬品および生体分子センシング/検出
 
 
 Spectroscopy  
 
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近赤外は0.7 µmから1.5～2.0 µmほどまで範囲が拡大します。近赤外と中赤外の境界の定義は、市場/アプリケーション/検出技術によって左右されます。

MidIR Regions

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近赤外の振動バンド

Vibrational bands

メトロームの「近赤外分光法」研究論文より

中赤外の振動バンド

MidIR Vibrational Bands

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• 量子カスケードレーザーおよびインターバンドカケードレーザー
• 鉛塩レーザーおよびGaSbレーザー
• ガスレーザー（CO2、CO、HeNe、周波数逓倍CO2）
• 化学レーザー（HF、DF） 
• DFG
• OPO/ OPA/ OPG
• 自由電子レーザー
• Er:YAG、Ho:YAG、Ho:YLFなどのバルク半導体
• ファイバーレーザー（ツリウム、ホルミウム、エルビウム添加）
 
• 多くの中赤外レーザーは、非放射フォノン援助減衰を介して利得媒質に蓄積したエネルギーの不活性化が原因で、室温では動作しません。
 
• 既存の中赤外線源はすでに多くのアプリケーションで用途を見いだしていますが、出力の制限、波長の選択の制限、同調性の範囲の制限、低電力変換率、場所をとるサイズ、複雑な設計、冷却、高コストといった欠点が１つ以上あります。
 
• 多くの新しい材料加工、医療、環境、科学などのアプリケーションは、コストの低い平均/最大出力、高パルスエネルギー、室温運転、効率的で堅牢な工業デザインが適しています。
 
そこで登場するのが、Cr2+およびFe2+添加ZnSe/S振電半導体レーザーです。
 
 MidIRLab
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振電半導体レーザー   最も重要な振電レーザーは次のとおりです。
• 遷移金属イオンが添加された利得媒質の場合、電子状態と格子振動（フォノン）との間で強力な相互作用があります。
• この振動と電子（振電）の相互作用により、強力な均一広がりが生じ、大きな利得帯域幅ができます。

 

• 振電半導体利得媒質に基づくレーザーでは、波長が大きな範囲になり、超短パルスも生成されます。
• 初めて性能が実証されたレーザーは、ルビー（Cr3+:Al2O3）レーザー（振電レーザー）です。
  
• Ti:サファイアレーザー、0.68～1.08 μm
• Cr3+:LiSAFおよびCr3+:LiCAFレーザー、Ti:Sに類似
• アレキサンドライトレーザー(Cr3+:BeAl2O3)、0.7～0.8 μm
• クロムフォルステライトレーザー(Cr4+:Mg2SiO4)、1.17～1.34 μm
• Cr2+:ZnSe/S広帯域半導体、1.8～3.4 μm
• Fe2+:ZnSe/S広帯域半導体、3.4～5.2 μm

 

この振動と電子（振電）の相互作用により、強力な均一広がりが生じ、大きな利得帯域幅ができます。

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Cr2+およびFe2+ 添加II～VI利得媒質
• 放射過程を室温で持続可能
• 非放射減衰を抑制
• 最大50 % λの超帯域幅
•1.8～6.1 mmの範囲で室温動作
Cr/Fe : ZnSe/ZnS/CdSe 振電レーザー：可視域利得およびパッシブQスイッチ中赤外媒体
 
 
TM2+:II-VI が特別な理由
   Mid IR crystals

TM (Cr2+、Co2+、V2+、 Mn2+、Fe2+、Ni2+ ) doped II-VI (II-Cd, Zn) 添加II～VI（II-Cd、Zn）（VI- S、Se、Te）合成物には大きなバンドギャップがあり、複数の重要な特徴を備えているので、他の酸化およびフッ化物レーザー結晶とは異なります。

  

 ホスト

最大フォノン周波数、 cm-1

• 化学的に安定した二価TMドーパントイオン、電荷補償不要

 

  

ZnTe

ZnSe

210

250
• 四面体配位構造としての結晶化、四面体配位（Td）は、小さい結晶場分裂を生じせ、ドーパント遷移を赤外線にします。
 
  

ZnS

YAG

350

560
• 光学フォノンの遮断は、非常に低いエネルギーで発生し、これらの液晶の中赤外発光の放射減衰の見込みが最大になります。
   YLF 860

Cr2+およびFe2+を選ぶ理由

• 第一励起準位は、2～3（Cr）および3.5～5 mm（Fe）中赤外線放射を生成させる適正エネルギーにあります。

• 基底および第一励起準位の回転は同じであるため、放射断面積が比較的高くなります。

• より高い励起準位の回転は、基底および第一励起準位よりも低く、励起またはレーザー遷移波長での励起状態吸収の可能性が大幅に軽減されます。

• 基底および第一励起準位の軌道特性は異なり、吸収と放射の間で大きなフランクコンドンシフトが生じて、幅広い可変波長レーザーに最適なブロードバンドの「染色のような」吸収と放射特性が生じます。

ZnSeの3d不純物について計算された多重項構造（参照元：A Fazzio他、Phys. Rev. B, 30, 3430（1984年））。

 ZnSe 
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Cr:ZnSe、Cr:ZnS（左）およびFe:ZnSe、Fe:ZnS（右）の吸収および放射断面積。cross-sections

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（招待論文）、vol. 21、No.1、1601719（20pp）（2015年）

  

table

ZnS, ZnSe at 5T2↔5E遷移、σab、σemでのZnS、ZnSeのクロム酸イオンと鉄イオンの分光特性—ピーク吸収率と放射断面積。λab、λem—それぞれのピーク吸収率と放射断面積の波長。ΔλFWHM –半値幅での全帯域幅。τradの寿命。τRT(τ77K) –室温および77Kでのルミネッセンス寿命
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材料特性 Cr2+:ZnSe Cr2+:ZnS
放射中心波長、nm 2450 2350
放射帯域幅、nm 860 nm 820 nm
光損傷のしきい値、 J/cm2 1.0 2.0
熱伝導率、W/(mK) 19 27
熱光学係数dn/dT、K-1 70×10-6 46×10-6
吸収中心波長、µm 1.77  1.69
吸収帯域幅、nm 400 nm 350
77K（300 K）での蛍光寿命 5.5 (5.5) 5.7 (4.3)
• 利得媒質は両方とも、2～3 µmスペクトル領域内の中赤外レーザー放射の直接的生成に最適です。
• ZnSホストの方が、はるかに優れた熱特性を有しています。
• Cr2+:ZnSは、高内部温度で温度消光の悪影響を受けます。
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• Cr2+およびFe2+ ZnSe/S利得媒質は、中赤外を5.2ミクロンまで幅広くカバーできます。
• Cr2+ ZnSe/SのSHGでは、範囲が近赤外（0.9ミクロン）に広がります。
• OPOsでは、範囲がより長い波長に広がります。
• TM添加ZnSe/Sの範囲をより長い波長に広げるための研究が行われています。
 
TM coverage 
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•Cr2+：ZnSe/Sは、1.8～3.4 µmの範囲の300Kでの連続同調、最大20 Wの出力、高い（最大70%）変換効率を達成するコンパクトなファイバーまたはダイオード励起CW（またはモードロック）システムが必要な場合、ZnSe/Sが利得媒質として適しています。

•Fe2+ :ZnSe/S結晶は、3.4～5.2 mmスペクトル範囲で同調可能な室温利得スイッチレーザーに適した利得媒質です。
 
Cr2+、Co2+、Fe2+ベースのレーザー： ZnSe/ZnS結晶は、分光、検出、医療、防衛関連のアプリケーション、中赤外光パラメトリック発振器のシーディングまたは励起に最適です。  
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  • 飽和断面積の高い値（10～18 cm2）

  • 小さい飽和エネルギー（~0.1J/cm2）

  • ZnSeホストとZnSホストの優れた光/機械特性（損傷のしきい値 - 2 J/cm2）と物理特性

 

Cr2+およびFe2+：ZnSe/S可飽和吸収体は、スペクトル範囲1.5～4.0 µmで動作する中赤外レーザー空洞のパッシブQスイッチングに最適な材料です。

 Passive Q-sw
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ceramics vs mono

 

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必要なスペクトル範囲で励起ダイオードが動作している場合、中赤外レーザーのダイオードレーザー励起を使用できます。ただし、この波長範囲のダイオード励起にはいくつかの短所があります。

  • 1.5～2 μm範囲のダイオードは低出力

  • ダイオードの輝度が低い/ビームモードが不十分
  • 幅広いスペクトル帯域幅と不十分な線幅コントロール

1 μmダイオードで励起されるErおよびTmファイバーレーザーは、電力変換率がこの波長範囲の直接ダイオードと同じまたはそれ以上であり、スペクトル的に純粋な最大200 Wの回折限界出力を出すことができます。これらのレーザーは、高出力、高輝度、正確な線幅と線幅コントロールを実現します。

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tree  

幅広い範囲の仕様：

  • 波長
  • 平均出力
  • パルスエネルギー
  • パルス持続期間
  • 繰り返し率
  • スペクトル線の幅

CWモデルの線幅

  • 標準 1 nm～0.1 nm
  • オプションの単一周波数、1 MHz
     
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Frontiers of Mid-IR Lasers Based on Transition Metal Doped Chalcogenides

Progress in Mid-IR Lasers Based on Cr and Fe-Doped II–VI Chalcogenides

幅広い波長可変中赤外ファイバーバルクハイブリッドレーザー

マルチワット中赤外フェムト秒多結晶Cr2+:ZnSおよびCr2+:ZnSeレーザー増幅器、スペクトル幅2.0～2.6 μm

半導体中赤外レーザー技術の最近の飛躍的進歩

低コストの2ミクロンレーザーメスには、セラミック利得材料を使用

IPG Photonicsは、Cr2+、Co2+、Fe2+拡散添加ZnSe/Zn多結晶セラミック利得材料と可飽和吸収体を提供します。IPGの専有製造プロセスでは、非常に幅広い鉄およびクロム添加ZnSe/ZnS水晶を低コストで大量生産できます。損失が少なく、遷移金属ドーパントが均一に分布され、優れた再現性と信頼性が達成されます。これらの結晶の光学特性と分光特性により、1.8～6ミクロン範囲で動作するコンパクトかつ効率的なレーザー光源として選ばれる利得材料となっています。クロムおよび鉄添加ZnSe/Sレーザーは、分光、検出、医療、防衛関連のアプリケーション、中赤外光パラメトリック発振器のシーディングまたは励起に最適です。   crystals

Cr2+:ZnSe および Cr2+:ZnS レーザーの活性体

1.8～3.4 mmの300 での連続同調、最大30 Wの出力、高い（最大70%）変換効率を達成するコンパクトなシステムが必要な場合、利用可能な励起源（Erファイバー、Tmファイバー、テレコムまたはInPダイオード、Er: YAG/YLF、Tm: YAG/YLF）の独自の組み合わせ、技術的特性（低コスト名セラミック材）、光学特性と分光特性（超広帯域の利得帯域幅、高水準の生産係数と吸収係数）により、これらは最適な利得材料となります。

Cr2+:ZnSe/S レーザーは、分光、検出、医療、防衛関連のアプリケーション、中赤外光パラメトリック発振器のシーディングまたは励起に最適です。

IPGの製造プロセスでは、拡散添加Cr2+:ZnSe/ZnS 水晶を低コストで大量生産できます。損失が少なく、クロムが均一に分布され、優れた再現性と信頼性が達成されます。

  

uniformly doped chromium ZnSe/S

均一に添加された 5 x 5 x 20 mm Cr:ZnSe 水晶

IPGの利得材料に基づく、Cr:ZnSe/Sレーザーの出力特性

レーザー特性

 出力特性
CW出力、W  30
CW同調範囲、nm  1800 - 3400
CW効率性、%  70
自走エネルギー、J 1.05 @7 ms
利得スイッチエネルギー、mJ 20 @ 15 ns
モードロックパルス持続期間、fs 50 @ 2 W

Fe2+:ZnSe レーザー活性体

Fe²+:ZnSe 結晶は、3.4～5.2 µmスペクトル範囲で同調可能な室温利得スイッチレーザーに適した利得媒質です。

これらのレーザーは、分光、検出、医療、防衛関連のアプリケーション、中赤外光パラメトリック発振器のシーディングまたは励起に最適です。

IPGの製造プロセスでは、拡散添加Fe²+:ZnSe/ZnS水晶を低コストで大量生産できます。損失が少なく、鉄が均一に分布され、優れた再現性と信頼性が達成されます。

  

Mid IR Crystals

 

TM:ZnSe/S 結晶

最新のFe:ZnSeレーザーの特性

レーザー特性

 出力特性
CW出力、W 2
同調範囲、nm 3400 - 5200
効率性、% 30
自由能源，J 0.42 @ 250 μs @ 5 Hz
自走平均出力、W 35 @ 150 μs @ 100 Hz
增益开关能量，mJ 5 @ 15 ns

 

詳細については、IPG Photonicsにお問い合わせください。

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Co2+:ZnS、Cr2+:ZnS、Cr2+:ZnSeパッシブQスイッチ

Co2+:ZnS、Cr2+:ZnS、Cr2+:ZnSe可飽和吸収体（SA）は、スペクトル範囲1.5～2.1 µmで動作する目に安全なレーザーおよび半導体レーザー、半導体レーザーのパッシブQスイッチに最適な材料です。

これらのレーザーは、空間通信システム、攻撃目標指示、飛行時間範囲距離計、手術、反射率測定、レーザーライダーなどの多数のアプリケーションで使用されています。

IPGは、1.5～2.1 µmスペクトル範囲で動作するQスイッチに最適な、非常に幅広い拡散添加Co2+:ZnS、Co2+:ZnSe、Cr2+:ZnS、Cr2+:ZnSe多結晶を提供します。

 

 

  

Co Cr Zn Se S

Cr2+:ZnS、Cr2+:ZnSe、
Co2+:Zns 可飽和吸収体のサンプル

 

材料特性 

結晶   ZnS  ZnSe
同調  立方晶系  立方晶系
対称族  ...  43 m
機械    
密度、g/cm3

4.09

  5.27
ヤング係数、Pa 7.45×1010  7.03×1010
ポアソン比  0.28 0.28 
熱    
熱膨張、セ氏温度-1  6.5×10-6  7.6×10-6
熱伝導、W/（m セ氏温度）  27.2 16 
比熱、J/（kg セ氏温度）  0.515×103 0.339×103 
光学    
1.0 µmでの屈折率 2.29  2.49
dn/dt、セ氏温度-1  5.4×10-5 6.1×10-5 
伝送距離、µm  0.37 - 14 0.55 - 20 

 

Qスイッチ Cr:ZnS Cr:ZnSe Co:ZnS Co:ZnSe
σGSA (at 1.54 µm)  1.6×10-18  1.3×10-18 0.7×10-18 0.76×10-18
σESA (at 1.54 µm)  0  0.02×10-18  0.1×10-18  0.1×10-18
τGSA (at 1.54 µm)   5 µs  8 µs  200 µs 290 µs 
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 Fe2+:ZnSe、Fe2+:ZnS パッシブQスイッチ

Fe2+:ZnSe 、Fe2+:ZnS 可飽和吸収体（SA）は、スペクトル範囲2.5～4.0 µmで動作する半導体レーザーのパッシブQスイッチに最適な材料です。

これらのレーザー（3.0 µm Er:YAG/YSGG/YLFなど）は、中赤外光パラメトリック発振器の励起、多数の医療および歯科アプリケーションに使用されています。

IPGの製造プロセスでは、拡散添加Fe2+:ZnSe/Zns水晶を低コストで大量生産できます。損失が少なく、鉄が均一に分布され、優れた再現性と信頼性が達成されます。

  

Fe Q sw

Fe2+:ZnSe 単結晶および多結晶可飽和吸収体のサンプル

 

結晶 ピーク係数吸収率、cm-1 上位寿命 300 K時, 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

可飽和吸収体Qスイッチの基準に基づく

the criterion for saturable absorber Q-Switching

 

（sQgsaとAQが吸収体断面積で、パッシブQスイッチャーでの空洞モードの領域である場合。sYSGGとAYSGGが放射断面積で、利得素子での空洞モードの領域である場合）空洞内焦点を合わせることなく、Cr:Er:YSGGレーザーの可飽和吸収体QスイッチとしてFe2+:ZnSe/Sを使用できます。

単一パルスモードとマルチパルスモードの動作それぞれで、15および85 mJの出力エネルギーが達成されました。  飽和断面積の高い値、小さい飽和エネルギー、ZnSeホストとZnSホストの優れた光/機械特性（損傷のしきい値 - 2 J/cm2）と物理特性の組み合わせにより、Fe2+:ZnSe/S水晶は、中赤外レーザー空洞のパッシブQスイッチに最適な材料となっています。


詳細については、IPG Photonicsにお問い合わせください。

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TM:ZnSe_S Series Datasheet

Passive Q-switch Co_ZnS Cr_ZnS and Cr_ZnSe Datasheet

Passive Q-switch Fe_ZnS and Fe_ZnSe Datasheet

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