Sources ultrarapides infrarouges moyennes haute puissance de 2 à 5 μm basées sur une source à double longueur d'onde - Partie 1

1 Introduction

Lasers à impulsions ultracourtes dans l'infrarouge moyen avec une longueur d'onde de 2 à 5mLes m présentent une valeur applicative irremplaçable en recherche fondamentale et dans les applications industrielles grâce à leur position de bande unique. Dans le domaine de la détection moléculaire, 2 à 5mLes lasers m peuvent résonner avec des molécules telles que CO et N₂O, permettant ainsi la détection des gaz à effet de serre et des gaz respiratoires. Dans le domaine des communications spatiales, le 3-5mLa bande m a une faible absorption dans l'atmosphère et est appelée « fenêtre transparente atmosphérique ». Les systèmes de communication fonctionnant dans cette bande ont une efficacité de communication élevée. Dans le domaine de l'optique non linéaire, étant donné que la fréquence de coupure qui satisfait l'adaptation de phase des harmoniques d'ordre élevé est proportionnelle à la puissance 1,7 de la longueur d'onde de pompe, lorsque des lasers à impulsions ultracourtes dans l'infrarouge moyen sont utilisés comme lumière de pompe pour exciter des harmoniques d'ordre élevé, ils peuvent exciter des harmoniques d'ordre supérieur. Dans le domaine de la biomédecine, l'imagerie microspectrale infrarouge moyen est largement considérée comme une technologie d'imagerie non destructive, sans étiquette et hautement sensible, et sa valeur dans la recherche et le diagnostic du cancer et la recherche sur les tissus in vitro a été vérifiée.

Actuellement, les méthodes de réalisation de lasers ultrarapides dans l'infrarouge moyen incluent la génération de supercontinuum, les oscillateurs/amplificateurs paramétriques optiques, les lasers à solide/fibre dans l'infrarouge moyen, la génération de différence de fréquence intra-impulsion et la génération de différence de fréquence. La technologie de génération de supercontinuum permet d'étendre le spectre de sortie des lasers ultrarapides à >10 µm⁰, mais sa phase spectrale est relativement complexe et la proportion d'énergie d'une bande spécifique est faible, ce qui rend difficile la production d'impulsions ultracourtes accordables à haute énergie. La technologie des oscillateurs/amplificateurs paramétriques optiques utilise des cristaux non linéaires pour réaliser la conversion de longueur d'onde. L'oscillateur paramétrique optique nécessite une cavité pour répondre aux conditions de résonance et présente des exigences élevées en termes de conception du chemin optique. L'amplificateur paramétrique optique ne nécessite pas de cavité résonante et présente une structure relativement simple, mais doit fournir un signal lumineux dans la bande de l'infrarouge moyen et présente des exigences plus élevées pour le composant frontal. En dopant des ions de terres rares tels que l'erbium, le thulium et l'holmium dans des fibres et cristaux optiques dans l'infrarouge moyen, et en les combinant avec des dispositifs à verrouillage de mode dans l'infrarouge moyen, la bande de sortie de l'oscillateur laser dans l'infrarouge moyen peut être étendue à environ 5 μm. De plus, le séléniure de zinc dopé au chrome (Cr:ZnSe) et le Cr:ZnS(www.wisoptic.com)Les lasers à semi-conducteurs sont deux lasers à modes verrouillés typiques dans l'infrarouge moyen. Ces deux matériaux présentent un large spectre d'émission, un rendement quantique extrêmement élevé, une bonne stabilité et une conductivité thermique élevée, d'où leur appellation de « saphir titane dans l'infrarouge moyen ». Cependant, en raison de la limitation de la bande passante d'émission du milieu amplificateur, la longueur d'onde de sortie du laser infrarouge moyen ne peut être ajustée sur une large plage. La technologie de génération de différence de fréquence intra-impulsion utilise le phénomène d'auto-différence de fréquence d'un large spectre dans le cristal pour produire un spectre cohérent dans l'infrarouge moyen avec une bande passante allant jusqu'à 50 THz. Ce schéma permet de générer des impulsions ultracourtes avec une phase d'enveloppe porteuse stable, et ne nécessite qu'un seul laser de commande. Le dispositif expérimental est relativement simple. Cependant, en raison de la limitation de sa propre bande passante spectrale, sa capacité de réglage spectral et sa puissance de sortie restent limitées.