Гибридные лазеры в среднем ИК диапазоне

Гибридные твердотельные ИК-лазеры IPG с накачкой волоконным лазером это компактные, эффективные, функциональные и мощные устройства. Гибридные лазеры IPGидеальный выбор для множества применений, включая обработку неметаллов, неразрушающий контроль, неинвазивную медицинскую диагностику, лазерные скальпели, спектроскопию, удаленное зондирование, визуализацию и накачку оптических параметрических генераторов.

Ассортимент гибридных лазеров средней ИК области спектра

Spectral Coverage

Эта секция посвящена гибридным лазерам средней ИК области спектра — семейству непрерывных и импульсных твердотельных объемных лазеров, работающих в диапазоне длины волн от 1,64 до 1,52 мкм. Сочетая в себе запатентованные опции компании IPg, гибридные лазеры средней ИК области спектра обычно накачиваются экономичными, надежными и эффективными эрбиевыми и туллиевыми волоконными лазерами, и многие из них оснащены уникальными активными кристаллами производства IPG. Гибридные лазеры средней ИК области спектра охватывают все режимы работы — от непрерывного излучения до фемтосекундных импульсов — и дополняют семейства эрбиевых, туллиевых и иттербиевых непрерывных и импульсных волоконных лазеров с эффектом Рамана.

 

Обработка материалов:

  • резка пластмасс, сварка, маркировка, сверление;
  • формовка пластмасс;
  • отверждение покрытий.
Materials Processing  

Измерение и формирование изображений:

  • биовизуализация;
  • художественная визуализация;
  • гиперспектральная визуализация;
  • термография;
  • слежение/наведение;
  • ночное видение;
  • лазерная локация ИК-диапазона, допплеровское рассеяние.
Imaging

Медицина: 

  • диагностика, терапия, хирургия;
  • алкогольно-респираторные трубки;
  • контроль уровня сахара;
  • дерматология;
  • косметические процедуры;
  • стоматологические применения. 
Medical  

Метеорология

     Климатология

         Астрономия

              Связь

telecom
         

Спектроскопия:

  • идентификация и динамика молекул;
  • 2D-спектроскопия с корреляцией в ИК-диапазоне;
  • неинвазивные неразрушающие измерения;
  • распознавание/обнаружение химических агентов и биомолекул.
 
 
Spectroscopy   Спектроскопическая защита:
  • противодействие приборам ИК;
  • освещение и распознавание цели;
  • скрытая связь;
  • передача линии цели.
 
mil 2
Закрыть

 Ближняя ИК область в диапазоне от 0,7 мкм примерно до 1,5–2,0 мкм. Определение границы между ближней ИК областью и средней ИК областью зависит от рынка/задачи/технологии обнаружения.

MidIR Regions

Закрыть

Вибрационные полосы ближнего ИК-диапазона

Vibrational bands

Из монографии Metrohm «Спектроскопия ближнего ИК-диапазона».

Вибрационные полосы среднего ИК-диапазона

MidIR Vibrational Bands

Закрыть
• Квантовые и внутризонные каскадные лазеры.
• Лазеры на солях свинца и антимониде галлия.
• Газовые лазеры (углекислотные, на монооксиде углерода, гелий-неоновые, углекислотные с удвоенной частотой).
• Химические лазеры (на фториде водорода, на фториде дейтерия).  
• DFG.
• ОПГ/ОПУ/ОПП.
• Лазеры на свободных электронах.
• Объемные твердотельные лазеры, например Er:YAG, Ho:YAG, Ho:YLF и другие.
• Волоконные лазеры (тулиевые, гольмиевые и легированные эрбием).
 
• Многие лазеры среднего ИК-диапазона не работают при комнатной температуре из-за деактивации энергии, накапливаемой в активной среде из-за неизлучающего распада с участием фононов.
 
• Хотя существующие источники среднего ИК-диапазона уже нашли применение в различных приложениях, у них есть хотя бы один из следующих недостатков: ограниченная выходная мощность, ограниченный выбор длин волн, ограниченный диапазон подстройки, низкий КПД преобразования электрической энергии в оптическую, большая занимаемая площадь, сложная конструкция, охлаждение и высокая стоимость.
 
• Многие новые приложения в областях обработки материалов, медицины, экологии, науки и т. д. станут возможными благодаря доступной по цене средней и пиковой мощности, большой энергии импульсов, работе при комнатной температуре, эффективности, прочной промышленной конструкции.
 
На подходе легированные ионами Cr2+ и Fe2+ вибронные твердотельные ZnSe/S-лазеры.
 
MidIRLab
Закрыть
Вибронные твердотельные лазеры   Наиболее важными типами вибронных лазеров являются следующие.
• В активной среде лазера, легированной ионами переходных металлов, происходит сильное взаимодействие электронных состояний с колебаниями кристаллической решетки, т. е. с фононами.
• Это вибрационно-электронное (вибронное) взаимодействие приводит к сильному гомогенному расширению и, таким образом, обеспечивает большой показатель усиление-полоса.
• Лазеры на основе вибронной твердотельной активной среды допускают подстройку длины волны в больших диапазонах и способны генерировать ультракороткие импульсы.
• Первым продемонстрированным лазером был рубиновый (Cr3+:Al2O3), вибронный лазер.
 
• Титан-сапфировые лазеры от 0,68 до 1,08 мкм.
• Лазеры Cr3+:LiSAF и Cr3+:LiCAF, аналогичные титан-сапфировым.
• Александритовые лазеры (Cr3+:BeAl2O3) от 0,7 до 0,8 мкм.
• Хром-форстеритовые лазеры (Cr4+:Mg2SiO4) от 1,17 до 1,34 мкм.
• Широкополосные полупроводниковые Cr2+:ZnSe/S от 1,8 до 3,4 мкм.
• Широкополосные полупроводниковые Fe2+:ZnSe/S от 3,4 до 5,2 мкм.
Закрыть
Легированная ионами Cr2+ и Fe2+ активная среда II-VI 
• Излучательные процессы поддерживаются при комнатной температуре.
• Неизлучающий распад подавляется.
• Ультраширокая полоса до 50 % λ.
• Работа при комнатной температуре в диапазоне 1,8–6,1 мм.
Cr/Fe: ZnSe/ZnS/CdSe, вибронные лазеры: эффективное усиление и среда с пассивным переключателем добротности  среднего ИК-диапазона
 
 
Каковы особенности TM2+:II-VI?
  Mid IR crystals

Легированные переходными металлами (Cr2+, Co2+, V2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+) составы II-VI (II-Cd, Zn) (VI- S, Se, Te) имеют широкую запрещенную зону и обладают несколькими важными особенностями, которые выделяют их на фоне остальных оксидных и фторидных лазерных кристаллов.

 

 Основа

Максимальная частота фононов, cm-1

 • Химически устойчивые двухвалентные ионы легирующих переходных металлов; не нужно компенсировать заряд. 

 

ZnTe

ZnSe

210

250

• Кристаллизация в виде тетраэдрально скоординированных структур, тетраэдральная координация (Td) дает небольшое расщепление кристаллического поля, и переходы легирующих ионов попадают в ИК-диапазон.
 

ZnS

АИГ

350

560

• Запирание оптических фононов происходит при очень низкой энергии, что максимизирует для этих кристаллов возможности излучательного распада с излучением в среднем ИК-диапазоне.
  YLF 860

Почему Cr2+ и Fe2+? 

• Первые возбужденные уровни соответствуют энергии, подходящей для генерирования излучения на 2–3 (Cr) и 3,5–5 мм (Fe) в среднем ИК-диапазоне.

• Нулевой и первый возбужденный уровни имеют один и тот же спин, поэтому у них будет относительно большое сечение излучения.

• У более высоких уровней спины ниже, чем у нулевого и первого возбужденного уровней, и это существенно снижает возможность значительного возбужденного поглощения на длинах волн накачки или лазера.

• Параметры орбиты нулевого и первого возбужденного уровней различаются, и между поглощением и излучением будет наблюдаться существенный сдвиг Франка — Кондона, что приводит к широкополосным характеристикам поглощения и излучения по типу красителя, пригодным для подстраиваемого в широком диапазоне лазера.

Расчетная мультиплетная структура для 3d-примесей в ZnSe (по А. Фаззио и др., физ. Ред. B, 30, 3430 (1984 г.)

ZnSe 
Закрыть

Сечения поглощения и излучения кристаллов Cr:ZnSe, Cr:ZnS (слева) и Fe:ZnSe, Fe:ZnS (справа)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 (Invited paper), vol. 21, no.1, 1601719 (20pp) (2015).

 

table

Спектроскопические характеристики ионов хрома и железа в кристаллах ZnS, ZnSe при переходах 5T25E transitions, σab, σem — сечения пикового поглощения и излучения; λab, λem — длины волн сечения пикового поглощения и излучения соответственно; ΔλFWHM — максимальная ширина полосы на уровне 0,5; τrad — излучательное время жизни; τRT77K) — время жизни люминесценции при комнатной температуре и 77K.  

Закрыть
Свойства материала Cr2+:ZnSe Cr2+:ZnS
Центральная длина волны излучения, нм 2450 2350
Полоса излучения, нм  860  820 
Порог оптического разрушения,
Дж/см2
1 2
Теплопроводность, Вт/(мК)  19 27
Термооптический коэффициент dn/dT, K-1 70 × 10-6 46 × 10-6
Центральная длина волны поглощения, мкм 1,77  1,69
Длина волны поглощения, нм 400 350
Время жизни флуоресценции при 77K (300 K) 5,5 (5,5) 5,7 (4,3)
• Оба усиливающих материала подходят для непосредственного генерирования излучения среднего ИК-диапазона в спектральной области 2–3 мкм.
 Основа ZnS имеет гораздо лучшие температурные свойства.
 Основа Cr2+:ZnS страдает от теплового тушения при высокой внутренней температуре.
Закрыть
• Активная среда Cr2+ и Fe2+ ZnSe/S позволяет охватить широкий средний ИК-диапазон вплоть до 5,2 микрона.
• Генерирование второй гармоники Cr2+ ZnSe/S расширяет охват до ближнего ИК-диапазона (начиная с 0,9 микрона).
• ОПГ расширяют охват в сторону больших длин волн.
• Ведутся исследования, нацеленные на расширение диапазона легированного переходными металлами кристалла ZnSe/S за счет больших длин волн.
 
TM coverage 
Закрыть

• Cr2+: ZnSe/S — хороший выбор усиливающих материалов, если нужна компактная система непрерывного действия с волоконной или диодной накачкой (или с синхронизированными модами) и возможностью плавной регулировки при 300 K в диапазоне 1,8–3,4 мкм, с выходной мощностью до 20 Вт и высоким (до 70 %) КПД преобразования.

• Кристаллы Fe2+ :ZnSe/S — идеальные усиливающие материалы для работающих при комнатной температуре лазеров с модуляцией усиления, перестраиваемых в спектральном диапазоне 3,4–5,2 мм.
 
Лазеры на основе Cr2+, Co2+ и Fe2+: кристаллы ZnSe/ZnS выглядят весьма многообещающе для задач спектроскопии, зондирования, медицины и обороны, а также для затравливания и накачки оптических параметрических генераторов среднего ИК-диапазона.  
Закрыть

 

  • Большие значения сечения насыщения (10-18 см2)
  • Малая энергия насыщения (~0,1 Дж/см2)
  • Хорошие оптико-механические (порог разрушения — 2 Дж/см2) и физические характеристики материалов-основ ZnSe и ZnS

 

Cr2+ и Fe2+: насыщаемые поглотители ZnSe/S — идеальные материалы для пассивной модуляции добротности в лазерных резонаторах среднего ИК-диапазона, работающих в спектральном диапазоне 1,5–4,0 мкм.

Passive Q-sw
Закрыть

ceramics vs mono

 

Закрыть

Накачка диодным лазером лазеров среднего ИК-диапазона возможна при условии, что диоды накачки работают в заданном спектральном диапазоне. Но диодная накачка в этом диапазоне длин волн имеет несколько недостатков.

  • В диапазоне 1,5–2 мкм у диодов низкая мощность.
  • У диодов низкая яркость/слабая мода луча.
  • Широкая спектральная линия и плохо контролируемая ширина линии.

Эрбиевый и тулиевый волоконные лазеры с накачкой 1-мкм диодами имеют КПД преобразования электрической энергии в оптическую не хуже, чем у прямых диодных лазеров в том же диапазоне длин волн, и могут обеспечивать спектрально чистое излучение с ограниченной дифракцией мощностью до 200 Вт. Они обеспечивают высокую мощность и яркость, высокую точность ширины спектральной линии и ее контроль.

Закрыть
tree  

Широкий выбор:

  • длины волн;
  • средней мощности;
  • энергии импульса;
  • длительности импульса;
  • частоты повторения импульсов;
  • ширины спектральной линии.

Ширина спектральной линии непрерывных моделей:

  • стандартная, от <1 до <0,1 нм;
  • oдополнительно одночастотный, 1 МГц.
     
Закрыть

IPG Photonics предлагает диффузионно-легированные ZnSe/ZnS поликристаллические керамические активные материалы и насыщающиеся поглотители из Cr2+, Co2+ и Fe2+.  Запатентованная компанией IPG технология изготовления позволяет массово и дешево производить самые разнообразные легированные железом и хромом кристаллы ZnSe/ZnS с низкими потерями, равномерным распределением металлического легирующего вещества, прекрасной воспроизводимостью и надежностью. Оптические и спектроскопические характеристики этих кристаллов делают их оптимальными для компактных и эффективных лазерных генераторов диапазоном от 1,8 до 6 микрон. Легированные хромом и железом, лазеры ZnSe/S выглядят весьма многообещающе для задач спектроскопии, зондирования, медицины и обороны, а также для затравливания и накачки оптических параметрических генераторов среднего ИК-диапазона.   crystals

Активные материалы для лазера Cr2+:ZnSe и Cr2+:ZnS

Уникальная комбинация доступных источников накачки (эрбиевый волоконный, тулиевый волоконный, телекоммуникационный лазеры или InP-диоды, Er:YAG/YLF; Tm: YAG/YLF), технологических (недорогой керамический материал), оптических и спектроскопических характеристик (сверхширокополосная добротность, наибольшее произведение и высокие коэффициенты поглощения) делает их хорошим выбором активных материалов, когда требуется компактная система с плавной регулировкой при 300 K в диапазоне 1,8–3,4 мм, выходной мощностью до 30 Вт и высоким (до 70 %) КПД преобразования.

Лазеры Cr2+:ZnSe/S выглядят весьма многообещающе для задач спектроскопии, зондирования, медицины и обороны, а также для затравливания и накачки оптических параметрических генераторов среднего ИК-диапазона.

Технология изготовления IPG позволяет массово и дешево производить самые разнообразные диффузионно-легированные кристаллы Cr2+:ZnSe/ZnS с низкими потерями, равномерным распределением хрома, хорошей воспроизводимостью и надежностью.

 

uniformly doped chromium ZnSe/S

Однородно легированные кристаллы 5 x 5 x 20 мм Cr:ZnSe

Выходные характеристики лазеров Cr:ZnSe/S на основе усиливающих материалов от IPG

Характеристики лазеров Выходные параметры
Непрерывного действия. Выходная мощность, Вт 30
Непрерывного действия. Подстраиваемый диапазон, нм  1800–3400
Непрерывного действия КПД, %
70
Энергия в режиме свободной генерации, Дж 1,05 при 7 мс
Энергия с модуляцией коэффициента усиления, мДж 20 при 15 нс
Длительность импульса с синхронизацией мод, фс 50 при 2 Вт

Активные материалы лазера Fe2+:ZnSe

Кристаллы Fe²+:ZnSe — идеальные усиливающие материалы для лазеров с модуляцией коэффициента усиления, работающих при комнатной температуре и настраиваемых в спектральном диапазоне 3,4–5,2 мкм.

Эти лазеры перспективны для задач в областях спектроскопии, зондирования, медицины и обороны, а также для затравливания и накачки оптических параметрических генераторов среднего ИК-диапазона.

Технология изготовления IPG позволяет массово и дешево производить самые разнообразные диффузионно-легированные кристаллы Fe²+:ZnSe/ZnS с низкими потерями, равномерным распределением железа, хорошей воспроизводимостью и надежностью.

 

Mid IR Crystals

 

Кристаллы TM:ZnSe/S

Последние достижения в области характеристик лазеров Fe:ZnSe

Характеристики лазеров

Выходной параметр
Выходная мощность, непрерывный режим, Вт 2
Диапазон настройки, нм 3400–5200
КПД, % 30
Энергия в режиме свободной генерации, Дж 0,42 при 250 мс при 5 Гц
Средняя мощность в режиме свободной генерации, Вт 35 при 150 мс при 100 Гц
Энергия с модуляцией коэффициента усиления, мДж 5 при 15 нс

 

За дополнительной информацией обращайтесь в компанию IPG Photonics.

Закрыть

Лазеры Co2+:ZnS, Cr2+:ZnS и Cr2+:ZnSe с пассивной модуляцией добротности

Насыщаемые поглотители (SA) Co2+:ZnS, Cr2+:ZnS и Cr2+:ZnSe — идеальные материалы для пассивных переключателей добротности безопасных для зрения волоконных и твердотельных лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1,5–2,1 мкм.

Эти лазеры используются в многочисленных приложениях, таких как системы связи в свободном пространстве, целеуказание, нахождение диапазона, определение дальности в полете, хирургия, рефлектометрия и лазерные локаторы.

IPG предлагает большое разнообразие диффузионно-легированных поликристаллов Co2+:ZnS, Co2+:ZnSe, Cr2+:ZnS и Cr2+:ZnSe, которые можно использовать для модуляции добротности лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1,5–2,1 мкм.

 

 

 

Co Cr Zn Se S

Образцы Cr2+:ZnS, Cr2+:ZnSe и насыщаемые поглотители  
Co2+:Zns 

 

Свойства материалов 

Кристаллографические   ZnS  ZnSe
Сингония  Кубическая  Кубическая
Класс симметрии  ...  43 м
Механические    
Плотность, г/см3

4,09

 5,27
Модуль Юнга, Па 7,45 × 1010  7,03 × 1010
Коэффициент Пуассона  0,28 0,28 
Тепловые    
Тепловое расширение, град. C-1  6,5 × 10-6  7,6 × 10-6
Теплопроводность, Вт/(м град. C)  27,2 16 
Теплоемкость, Дж/(кг град. C)  0,515 × 103 0,339 × 103 
Оптический    
Показатель преломления при 1,0 мкм 2,29  2,49
dn/dt, град. C-1  5,4 × 10-5 6,1 × 10-5 
Диапазон связи, мкм  0,37–14 0,55–20 

 

Модуляция добротности Cr:ZnS Cr:ZnSe Co:ZnS Co:ZnSe
σGSA (при 1,54 мкм)  1,6 × 10-18  1,3 × 10-18 0,7 × 10-18 0,76 × 10-18
σESA (при 1,54 мкм)  0  0,02 × 10-18  0,1 × 10-18  0,1 × 10-18
τGSA (при 1,54 мкм)   5 мкс  8 мкс  200 мкс 290 мкс 
Закрыть

 Лазеры Fe2+:ZnSe, Fe2+:ZnS с пассивной модуляцией добротности

Насыщаемые поглотители (SA) Fe2+:ZnSe и Fe2+:ZnS — идеальные материалы для твердотельных лазеров с пассивной модуляцией добротности, работающих в спектральном диапазоне 2,5–4,0 мкм.

Эти лазеры (например, 3 мкм Er:YAG/YSGG/YLF) используют для накачки ОПГ среднего ИК-диапазона и для многочисленных задач медицины и стоматологии.

Технология изготовления IPG позволяет массово и дешево производить самые разнообразные диффузионно-легированные кристаллы Fe²+:ZnSe/ZnS с низкими потерями, равномерным распределением железа, хорошей воспроизводимостью и надежностью.

 

Fe Q sw

Образцы моно- и поликристаллических насыщаемых поглотителей Fe2+:ZnSe

 

Кристалл Пиковый коэффициент поглощения кристалла, см-1 Время жизни верхнего уровня при 300 K, мкс
σGSA при 
2,8 мкм, 10-20 см2
σgsaesa σgsa/σYSGG
Fe:ZnSe 1–20 0,37 90 0 30
Fe:ZnS 1–20 <0,3 130 0 43

В соответствии с критерием модуляции добротности с насыщаемым поглотителем

 

(где sQgsa и AQ — сечение поглощения и область резонаторной моды на пассивном переключателе добротности;  sYSGG и AYSGG — сечение излучения и область резонаторной моды на усиливающем элементе) в
качестве переключателя добротности насыщаемого поглотителя можно использовать Fe2+:ZnSe/S для лазера Cr:Er:YSGG без внутрирезонаторной фокусировки.

В одно- и многоимпульсном режимах получают выходную энергию 15 и 85 мДж соответственно.  Сочетание больших значений сечения насыщения, малой энергии насыщения с хорошими оптико-механическими (порог разрушения — 2 Дж/см2) и физическими характеристиками материалов-основ ZnSe и ZnS делает кристаллы Fe2+:ZnSe/S идеальным материалом для пассивной модуляции добротности лазерных резонаторов средней ИК области спектра.


За дополнительной информацией обращайтесь в компанию IPG Photonics.

Закрыть

Технические данные серии TM:ZnSe_S

Технические данные лазеров Co:ZnS, Cr:ZnS и Cr:ZnSe с пассивной модуляцией добротности

Технические данные лазеров Fe:ZnS и Fe:ZnSe с пассивной модуляцией добротности

Контакты
Обратитесь за поддержкой в наш отдел продаж. Запросите подробную информацию о продукции или задайте нам вопрос.