Progreso de la investigación de cristales láser de infrarrojo medio - Parte 01

Los cristales láser de infrarrojo medio de 2-5 μm tienen aplicaciones importantes en contramedidas de infrarrojo direccional, antiterrorismo, biomedicina , vigilancia ambiental, comunicaciones ópticas, física de campo potente, fusión láser e infrarrojo medio a lejano (conversión de frecuencia no lineal). ) fuentes de luz básicas, etc. Con el desarrollo relacionado de la tecnología de fuente de bomba de láser semiconductor (diodo láser, LD), láser de estado sólido y láser de fibra (incluida la bomba resonante) , el cristal de infrarrojo medio se ha convertido en uno de los cuatro cristales láser principales desarrollados actualmente . En julio de 2012, Nature Photonics  publicó un número especial "Mid-infrared Photonics", sobre el láser de infrarrojo medio a lejano de 2-20 μ m como una nueva oportunidad en el campo del láser.

Tomemos como ejemplo la aplicación de la física de campo fuerte: la energía cinética E _q  de los electrones que oscilan en el campo de luz determina el efecto físico del campo fuerte y el estado de la interacción entre la luz y la materia.

Como se muestra en la fórmula (1), E _q está determinada conjuntamente por la intensidad de la luz I  y la longitud de onda λ . En la actualidad, la potencia máxima del láser infrarrojo cercano ultracorto y ultraintenso ha alcanzado el nivel de petavatio (PW, 1 PW = 10 ¹⁵ W), la intensidad de la luz enfocada puede alcanzar 10 ²¹ W/cm ² , y el E _q   es tan alto como decenas de MeV, lo que hace que la interacción entre la luz y la materia entre en la región "relativista" (velocidades de los electrones que se aproximan a la velocidad de la luz). Para avanzar en la interacción entre la luz y la materia a la región "ultra-relativista" (la velocidad de los protones es cercana a la velocidad de la luz), E q   necesita _aumentar considerablemente hasta el nivel de GeV. Por ello,  Investigadores de muchos países , especialmente científicos europeos, han planificado una Infraestructura de Luz Extrema (ELI) de 100 petavatios de ultra alta potencia. Esta es una tendencia en el desarrollo de láseres ultracortos y ultraintensos, que se caracteriza por moverse hacia una escala mayor a lo largo de la ruta original de la tecnología láser intensa de banda de infrarrojo cercano. Sin embargo, debido a las limitaciones de los cuellos de botella de los materiales del núcleo, como las rejillas y la tecnología clave de la relación señal-ruido de pulso, estos proyectos de láser de cien petavatios de infrarrojo cercano no han logrado un progreso sustancial en los últimos diez años. E _q  depende de I λ ² , por lo que las longitudes de onda largas como la banda del infrarrojo medio (2-5 μ m) son una nueva dimensión para obtener una alta energía cinética de oscilación E _q . El Instituto Conjunto de Astrofísica Experimental de la Universidad de Colorado, el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Alemania y el equipo de Qian Liejia de la Universidad Jiaotong de Shanghái están desarrollando sistemas láser ultrarrápidos de alta potencia en el infrarrojo medio.

De acuerdo con el rango de longitud de onda, los principales iones activos y las transiciones de nivel de energía correspondientes que pueden generar directamente la salida de láseres de infrarrojo medio de 2-5 μ m son los siguientes (consulte la Figura 1):

(1) ~ 2 μm : Tm ³⁺ , Ho ³⁺

(2) ~ 2,3 μ m : Tm ³⁺

(3) 2~3 μ m : Cr ²⁺

(4) ~ 3 μm : Er ³⁺ , Ho ³⁺ , U ⁴⁺ , ​​Dy ³⁺

(5) ~ 4 μm : Fe ²⁺ , Ho ³⁺

(6) > 4 μm : Dy ³⁺ , Er ³⁺ , Pr ³⁺

 higo ． 1 Diagrama de nivel de energía de iones de tierras raras para salida de láser de infrarrojo medio