Neue technische Fortschritte im mittleren Infrarotbereich

Der mittlere Infrarotbereich ist vor allem deswegen für zahlreiche Anwendungen von Interesse, da die beteiligten elektromagnetischen Frequenzen sich mit den Schwingungsbewegungsfrequenzen der meisten Moleküle überschneiden. Die Entwicklung von Lichtquellen im mittleren Infrarotbereich eröffnet somit neue Möglichkeiten. Dies trifft, insbesondere im Vergleich zu konventionell verwendeten Fourier-Transformations-Spektrometern, auf Spektroskopiemethoden zu. Die zentralen Vorteile liegen in der Kohärenz, der kurzen Pulsdauer und einer hohen spektralen Helligkeit.

Die Forscher des Projekts ASEL-MID-IR (Compact, high-energy, and wavelength-diverse coherent mid-infrared source) arbeiteten an einer Umwandlung der Frequenzen von
Festkörperlasern, die im infrarotnahen und mittleren Infrarotbereich funktionieren. Über einen optischen parametrischen Oszillator (OPO), der nicht lineare Elemente umfasst, wurden die eingehenden Laserwellen (Pumpe) von Festkörperlasern in Wellen mit einer höheren Wellenlänge umgewandelt.

Im Anschluss an eine detaillierte Literaturdurchsicht zu Architekturen von Festkörperlasern wandten die Forscher einen Thulium-dotierten Faserlaser und einen gütegeschalteten Holmium-dotierten YAG-Laser an, der bei 2,1 μm betrieben wird. Diese Pumpenquellen zeigen bessere Fähigkeiten hinsichtlich thermischer Kontrolle und Skalierung als konventionelle Festkörperlaser mit einem μm. Über einen OPO, der aus einem ZGP-Kristall hergestellt wurde und der Nichtlinearitäten zweiter Ordnung aufwies, wurde die Wellenlänge der Pumpenquellen in Wellen im mittleren Infrarotbereich umgewandelt.

Der Holmium-dotierte YAG-Laser produzierte bei 2,1 μm einen Ausgangspulsstrom von 25 W mit einer Pulswiederholungsrate zwischen 10-200 kHz und einer Pulsdauer von weniger als 15 ns. Der OPO mit ZGP-Kristall produzierte eine Ausgangsbandbreite im mittleren Infrarotbereich mit einer Durchschnittsleistung von mehr als 5 W und einem Spektrum zwischen 3,5 und 5 μm. Die Umwandlungseffizienz lag bei etwa 40 % und übertraf die Ausgangsberechnungen.

Die Verwendung alternativer OPO-Konfigurationen wie einem intra-cavity-OPO zeigte, dass sich das Ausgangssignal zurück in ein Pumpensignal verwandeln lässt, wodurch ein nicht lineares Medium dritter Ordnung effektiv nachgeahmt wird. Um eine Frequenzverdreifachung zu nutzen, wandte das Team einen external-cavity-Raman-Laser mit einem BaWO4-Kristall an. Die erzeugte Ausgangswellenlänge war die längste jemals gemessene mit einer Ausgangsleistung im Watt-Bereich. Die Überschneidung des ursprünglichen Spektralbereichs mit dem Wasserdampf-Absorptionsfenster eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten hinsichtlich Infrarot-Hygrometrie und -Gassensorik.

Forscher ersetzten den Thulium-dotierten Faserlaser schließlich mit einem in-house-Thulium-Diodenlaser, der einen YLF-Kristall als Lasermedium aufweist, um eine kompakte Verpackung für die Prototypenlösung bereitzustellen.

Die Anwendungsmöglichkeiten für Laser im mittleren Infrarotbereich steigen. Die kompakten und portablen Lichtquellenprototypen von ASEL-MID-IR mit hoher Pulswiederholungsrate und Ausgangsleistung können für die Anwendung im Bereich von Sicherheit, medizinischer Diagnostik und Gassensorik von Vorteil sein.