Progrès de la recherche sur les cristaux laser dans l'infrarouge moyen - Partie 01

2023/03/29 12:05

Les cristaux laser infrarouge moyen de 2 à 5 μm ont des applications importantes dans les contre-mesures infrarouges directionnelles, la lutte contre le terrorisme, la biomédecine , la surveillance de l'environnement, les communications optiques, la physique des champs forts, la fusion laser et l'infrarouge moyen à lointain (conversion de fréquence non linéaire). ) sources lumineuses de base, etc . Avec le développement connexe de la technologie de source de pompe du laser à semi-conducteur (diode laser, LD ), du laser à solide et du laser à fibre (y compris la pompe résonnante) , le cristal infrarouge moyen est devenu l'un des quatre principaux cristaux laser développés actuellement . En juillet 2012, Nature Photonics a publié un numéro spécial "Mid-infrared Photonics", concernant le laser infrarouge moyen à lointain 2-20 μm comme une nouvelle opportunité dans le domaine du laser.

Prenons l'application de la physique des champs forts comme exemple : l'énergie cinétique E _q des électrons oscillant dans le champ lumineux détermine l'effet physique du champ fort et l'état de l'interaction entre la lumière et la matière.

Comme le montre la formule (1), E _qest déterminée conjointement par l'intensité lumineuse I et la longueur d'onde λ . À l'heure actuelle, la puissance de crête du laser proche infrarouge ultra-court et ultra-intense a atteint le niveau pétawatt (PW, 1 PW = 10 ¹⁵ W), l'intensité lumineuse focalisée peut atteindre 10 ²¹W/cm ² , et l' E _q atteint des dizaines de MeV, faisant entrer l'interaction entre la lumière et la matière dans le domaine "relativiste" (vitesses des électrons se rapprochant de la vitesse de la lumière). Afin de faire progresser l'interaction entre la lumière et la matière dans la région "ultra-relativiste" (la vitesse des protons est proche de la vitesse de la lumière), E _q doit être fortement augmenté jusqu'au niveau du GeV. Pour cette raison, des chercheurs de nombreux pays , en particulier des scientifiques européens, ont prévu une infrastructure extrêmement légère (ELI) à ultra-haute puissance de 100 pétawatts. Il s'agit d'une tendance dans le développement des lasers ultra-courts et ultra-intenses, qui se caractérise par une évolution vers une plus grande échelle le long de la voie originale de la technologie laser intense à bande proche infrarouge. Cependant, en raison des limitations de goulot d'étranglement des matériaux de base tels que les réseaux et de la technologie clé du rapport signal/bruit d'impulsion, ces projets de laser proche infrarouge de cent pétawatts n'ont pas fait de progrès substantiels au cours des dix dernières années. E _q dépend de I λ ² , de sorte que les grandes longueurs d'onde telles que la bande de l'infrarouge moyen (2-5 μ m) sont une nouvelle dimension pour obtenir une énergie cinétique d'oscillation élevée E _q . L'Institut conjoint d'astrophysique expérimentale de l'Université du Colorado, l'Institut Max Planck d'optique quantique en Allemagne et l'équipe de Qian Liejia de l'Université Jiaotong de Shanghai développent des systèmes laser ultrarapides à haute puissance dans l'infrarouge moyen.

Selon la gamme de longueurs d'onde, les principaux ions actifs et les transitions de niveau d'énergie correspondantes qui peuvent réaliser directement la sortie des lasers infrarouges moyens de 2 à 5 μm sont les suivants (voir Figure 1):

(1) ~ 2 μm : Tm ³⁺ , Ho ³⁺

(2) ~ 2,3 μm : Tm ³⁺

(3) 2~3 μm : Cr ²⁺

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