Plan de selecție cu laser reglabil în infraroșu apropiat până la infraroșu mediu

Acest articol își propune să discute câteva considerații și sugestii de programe atunci când selectați sursele de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu. Acest articol prezintă, în principal, pe scurt și compară cele patru mari categorii de oscilatoare optice parametrice (OPO), amplificatoare optice parametrice (OPA), lasere cu cascadă cuantică și surse de lumină supercontinuum.

1. Diferite definiții ale intervalului spectral

În general, atunci când oamenii vorbesc despre surse de lumină infraroșie, se referă la lumina cu lungimi de undă în vid mai mari de ~700–800 nm (limita superioară a intervalului de lungimi de undă vizibile).

Limita inferioară a lungimii de undă specifică nu este definită clar în această descriere, deoarece percepția ochiului uman asupra infraroșului scade lent, mai degrabă decât se întrerupe la o stâncă.

De exemplu, răspunsul luminii la 700 nm la ochiul uman este deja foarte scăzut, dar dacă lumina este suficient de puternică, ochiul uman poate vedea chiar lumina emisă de unele diode laser cu lungimi de undă care depășesc 750 nm, ceea ce face și infraroșu. laserele reprezintă un risc pentru siguranță. --Chiar dacă nu este foarte luminos pentru ochiul uman, puterea sa reală poate fi foarte mare.

În mod similar, ca și domeniul limită inferioară a sursei de lumină în infraroșu (700 ~ 800 nm), domeniul de definire a limitei superioare a sursei de lumină infraroșie este, de asemenea, incert. În general, este de aproximativ 1 mm.

Iată câteva definiții comune ale benzii infraroșii:

——Regiune spectrală în infraroșu apropiat (numită și IR-A), interval ~750-1400 nm.
Laserele emise în această regiune a lungimii de undă sunt predispuse la zgomot și probleme de siguranță a ochiului uman, deoarece funcția de focalizare a ochiului uman este compatibilă cu intervalele de lumină vizibilă și infraroșu apropiat, astfel încât sursa de lumină a benzii de infraroșu apropiat poate fi transmisă și focalizată către retina sensibilă în același mod, dar lumina de bandă în infraroșu apropiat Nu declanșează reflexul de clipire de protecție. Drept urmare, retina ochiului uman este deteriorată de energie excesivă din cauza insensibilității. Prin urmare, atunci când utilizați surse de lumină în această bandă, trebuie acordată o atenție deplină protecției ochilor.

——Infraroșu cu lungime de undă scurtă (SWIR, IR-B) interval de la 1,4-3 μm.
Această zonă este relativ sigură pentru ochi, deoarece această lumină este absorbită de ochi înainte de a ajunge în retină. De exemplu, amplificatoarele cu fibră dopată cu erbiu utilizate în comunicațiile cu fibră optică funcționează în această regiune.
——Raza infraroșu de unde mijlocii (MWIR) este de 3-8 μm.
Atmosfera prezintă o absorbție puternică în anumite părți ale regiunii; multe gaze atmosferice vor avea linii de absorbție în această bandă, cum ar fi dioxidul de carbon (CO2) și vaporii de apă (H2O). De asemenea, deoarece multe gaze prezintă o absorbție puternică în această bandă Caracteristicile puternice de absorbție fac ca această regiune spectrală să fie utilizată pe scară largă pentru detectarea gazelor în atmosferă.

——Raza infraroșu cu undă lungă (LWIR) este de 8-15 μm.
——În continuare este infraroșu îndepărtat (FIR), care variază de la 15 μm-1 mm (dar există și definiții care încep de la 50 μm, vezi ISO 20473). Această regiune spectrală este utilizată în principal pentru imagini termice.
Acest articol își propune să discute despre selecția laserelor cu lungime de undă reglabilă în bandă largă cu surse de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu, care pot include infraroșu cu lungime de undă scurtă de mai sus (SWIR, IR-B, variind de la 1,4-3 μm) și o parte din infraroșul undei medii (MWIR, intervalul este de 3-8 μm).

2. Aplicație tipică

O aplicație tipică a surselor de lumină în această bandă este identificarea spectrelor de absorbție cu laser în urme de gaze (de exemplu, teledetecția în diagnosticul medical și monitorizarea mediului). Aici, analiza profită de benzile de absorbție puternice și caracteristice ale multor molecule din regiunea spectrală în infraroșu mijlociu, care servesc drept „amprente moleculare”. Deși se pot studia unele dintre aceste molecule și prin linii de pan-absorbție în regiunea infraroșu apropiat, deoarece sursele laser în infraroșu apropiat sunt mai ușor de pregătit, există avantaje în utilizarea liniilor fundamentale puternice de absorbție în regiunea infraroșu mijlociu cu sensibilitate mai mare. .

În imagistica cu infraroșu mijlociu, sunt folosite și surse de lumină din această bandă. Oamenii profită de obicei de faptul că lumina infraroșu mijlociu poate pătrunde mai adânc în materiale și are mai puțină împrăștiere. De exemplu, în aplicațiile de imagistică hiperspectrală corespunzătoare, infraroșu apropiat până la infraroșu mediu poate furniza informații spectrale pentru fiecare pixel (sau voxel).

Datorită dezvoltării continue a surselor de laser cu infraroșu mediu, cum ar fi laserele cu fibră, aplicațiile de prelucrare a materialelor laser nemetalice devin din ce în ce mai practice. De obicei, oamenii profită de absorbția puternică a luminii infraroșii de către anumite materiale, cum ar fi filmele polimerice, pentru a îndepărta selectiv materialele.

Un caz tipic este acela că filmele conductoare transparente din oxid de indiu staniu (ITO) utilizate pentru electrozii din dispozitivele electronice și optoelectronice trebuie să fie structurate prin ablație selectivă cu laser. Un alt exemplu este striparea precisă a acoperirilor pe fibre optice. Nivelurile de putere necesare în această bandă pentru astfel de aplicații sunt de obicei mult mai mici decât cele necesare pentru aplicații precum tăierea cu laser.

Sursele de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu sunt, de asemenea, folosite de armată pentru contramăsuri direcționale în infraroșu împotriva rachetelor care caută căldură. Pe lângă puterea de ieșire mai mare, potrivită pentru camerele cu infraroșu orbitor, este necesară și o acoperire spectrală largă în banda de transmisie atmosferică (aproximativ 3-4 μm și 8-13 μm) pentru a preveni filtrele simple cu crestături să protejeze detectoarele cu infraroșu .

Fereastra de transmisie atmosferică descrisă mai sus poate fi utilizată și pentru comunicații optice în spațiul liber prin fascicule direcționale, iar laserele cuantice în cascadă sunt utilizate în multe aplicații în acest scop.

În unele cazuri, sunt necesare impulsuri ultrascurte în infraroșu mediu. De exemplu, s-ar putea folosi piepteni de frecvență în infraroșu mediu în spectroscopie cu laser sau s-ar putea exploata intensitățile de vârf ale impulsurilor ultrascurte pentru laser. Aceasta poate fi generată cu un laser blocat în mod.

În special, pentru sursele de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu, unele aplicații au cerințe speciale pentru scanarea lungimilor de undă sau reglabilitatea lungimii de undă, iar laserele reglabile cu lungime de undă din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu joacă, de asemenea, un rol extrem de important în aceste aplicații.

De exemplu, în spectroscopie, laserele reglabile în infraroșu mediu sunt instrumente esențiale, fie că sunt detectate gaze, monitorizarea mediului sau analiza chimică. Oamenii de știință ajustează lungimea de undă a laserului pentru a-l poziționa cu precizie în intervalul infraroșu mediu pentru a detecta linii specifice de absorbție moleculară. În acest fel, ei pot obține informații detaliate despre compoziția și proprietățile materiei, cum ar fi spargerea unei cărți de coduri pline de secrete.

În domeniul imagisticii medicale, laserele reglabile în infraroșu mediu joacă, de asemenea, un rol important. Sunt utilizate pe scară largă în tehnologiile de diagnostic și imagistică non-invazive. Prin reglarea precisă a lungimii de undă a laserului, lumina infraroșu mijlociu poate pătrunde în țesutul biologic, rezultând imagini de înaltă rezoluție. Acest lucru este important pentru detectarea și diagnosticarea bolilor și anomaliilor, precum o lumină magică care se uită la secretele interioare ale corpului uman.

Domeniul apărării și securității este, de asemenea, inseparabil de aplicarea laserelor reglabile în infraroșu mediu. Aceste lasere joacă un rol cheie în contramăsurile în infraroșu, în special împotriva rachetelor care caută căldură. De exemplu, sistemul de contramăsuri direcționale în infraroșu (DIRCM) poate proteja aeronavele împotriva urmăririi și atacarii de rachete. Prin ajustarea rapidă a lungimii de undă a laserului, aceste sisteme pot interfera cu sistemul de ghidare al rachetelor primite și pot schimba instantaneu valul bătăliei, ca o sabie magică care păzește cerul.

Tehnologia de teledetecție este un mijloc important de observare și monitorizare a pământului, în care laserele reglabile în infraroșu joacă un rol cheie. Domenii precum monitorizarea mediului, cercetarea atmosferică și observarea Pământului se bazează pe utilizarea acestor lasere. Laserele reglabile în infraroșu mediu le permit oamenilor de știință să măsoare linii specifice de absorbție a gazelor din atmosferă, oferind date valoroase pentru a ajuta cercetarea climatică, monitorizarea poluării și prognoza meteo, ca o oglindă magică care poate vedea în misterele naturii.

În medii industriale, laserele reglabile în infraroșu mediu sunt utilizate pe scară largă pentru prelucrarea de precizie a materialelor. Prin reglarea laserelor la lungimi de undă care sunt puternic absorbite de anumite materiale, acestea permit ablația selectivă, tăierea sau sudarea. Acest lucru permite fabricarea de precizie în domenii precum electronica, semiconductorii și microprelucrarea. Laserul reglabil în infraroșu mijlociu este ca un cuțit de sculptat fin lustruit, permițând industriei să sculpteze produse fin sculptate și să arate strălucirea tehnologiei.

3. Tipuri de produse cu laser reglabil în infraroșu apropiat până la infraroșu mediu și caracteristici de selecție

Multe tehnologii pot produce lasere cu infraroșu apropiat până la infraroșu mediu, cum ar fi diferite tipuri de lasere cu sare de plumb bazate pe compuși de plumb ternari timpurii sau compuși cuaternari, precum și lasere în vrac izolatoare dopate obișnuite, diverse lasere cu fibră și lasere cu dioxid de carbon cu gaz. Așteptați, aici ne concentrăm pe câteva tehnologii și produse cu principii laser care pot fi reglate într-o gamă largă de lungimi de undă, de la infraroșu apropiat până la infraroșu mediu.

①Oscilatoare optice parametrice, amplificatoare și generatoare (OPO și OPA)

Într-un sistem de conversie a frecvenței neliniare, un laser în infraroșu apropiat, un oscilator parametric optic cu pompă (OPO), un amplificator (OPA) sau un generator (OPG) poate fi utilizat pentru a genera lumină inactivă în regiunea spectrală a infraroșului mijlociu, cum ar fi:
În laserele cu infraroșu mediu OPO în nanosecunde, laserele cu comutare Q pot fi folosite ca surse de pompă. Materialele cristaline obișnuite utilizate pentru astfel de aplicații sunt fosfura de zinc germaniu (ZGP, ZnGeP2), sulfura și seleniura de argint galiu (AgGaS2, AgGaSe2), seleniura de galiu (GaSe) și seleniura de cadmiu (CdSe).
Deoarece multe dintre aceste materiale sunt opace în regiunea de 1 μm, este adesea necesar să se utilizeze OPO-uri în serie: primul OPO convertește radiația laser de 1 μm într-o lungime de undă mai mare, care este apoi folosită pentru a pompa OPO-ul efectiv în infraroșu mediu. Semnalul acestuia din urmă și frecvența inactivă pot fi ambele în regiunea spectrului de infraroșu mijlociu.
Laserul Nd:YVO4 de picosecundă blocat în modul de 1064 nm poate fi, de asemenea, utilizat pentru a pompa în mod sincron cristalele OPO și LiNbO3, permițând ieșirii de lumină inactivă să atingă 4 μm sau chiar 4,5 μm. Limitarea lungimii de undă a acestuia este în principal superioară creșterii absorbției luminii inactiv la lungimi de undă lungi. Prin urmare, OPO bazate pe acest principiu au de obicei un semnal de rezonanță. Un astfel de dispozitiv ar putea genera cu ușurință impulsuri cu energie de zeci de milijouli. Lungimea de undă de ieșire este reglabilă pe sute de nanometri.

②CWOPO

În comparație cu excitația pulsului OPO general, produsele recente CWOPO oferă lasere cu infraroșu mediu bazate pe următorul cadru:

1) Laser și amplificatoare cu fibră DFB;

2) Control cu ​​laser cu fibră DFB;

3) Partea optică OPO și control;
Acest tip de produs poate oferi o lungime de undă de ieșire reglabilă continuu în intervalul de infraroșu mijlociu de 1435-4138 nm (6969-2416 cm{-1). În același timp, în comparație cu pulse OPO, acest tip de produs poate oferi o lățime excelentă a liniei. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Laser cuantic în cascadă

Laserele cuantice în cascadă reprezintă o direcție de dezvoltare relativ nouă în domeniul laserelor semiconductoare.

Diferența dintre laserele cuantice în cascadă și laserele semiconductoare cu infraroșu mediu timpuriu bazate pe tranziții inter-bandă este că funcționează pe baza tranzițiilor inter-sub-bandă.

Acest lucru permite laserelor cuantice în cascadă să conceapă detaliile structurii stratului semiconductor, astfel încât energia fotonului de tranziție (și, prin urmare, lungimea de undă) să poată fi variată într-o gamă largă. În plus, unele domenii importante de reglare a lungimii de undă (uneori depășind 10% din lungimea de undă centrală) pot fi acoperite și prin dispozitive cu cavitate externe.

Deși în prezent este necesară răcirea criogenică pentru a obține o performanță optimă, multe lasere cu cascadă cuantică pot fi încă operate la temperatura camerei, chiar și continuu. Laserele cuantice în cascadă pot fi, de asemenea, utilizate pentru a genera lasere cu impulsuri cu timpi de impuls chiar sub 1 ns, deși puterea de vârf este destul de limitată.

În ceea ce privește puterea, deși puterea sa de ieșire poate ajunge la 1 W prin optimizare, puterea de ieșire a acestui tip de laser este totuși mai mică decât cea a laserelor cu infraroșu obișnuite. Deoarece, în domeniul laserelor cu cascadă cuantică, care sunt utilizate în principal în spectroscopie, laserele în cascadă cuantică sunt limitate la tranziții cu energie fononică mai mică.

Iată câțiva parametri și tipuri comune:
Tub laser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tub laser DFB pulsat 700 cm-1-2350 cm-1
Tub laser DFB frigorific 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (oscilator optic parametric) și cascada cuantică sunt două tehnologii utilizate în mod obișnuit în generarea laserului în infraroșu mediu și au unele diferențe semnificative de aplicație.

OPO (Optical Parametric Oscillator, oscilator optic parametric):

OPO este un dispozitiv optic neliniar care utilizează procese parametrice în cristale optice neliniare sau fibre optice pentru a genera noi lungimi de undă, inclusiv banda de infraroșu mijlociu. OPO excită oscilații parametrice printr-o sursă de lumină a pompei, unde materialele neliniare din oscilator împart lumina pompei în lumină de semnal și lumină auxiliară. Lungimea de undă a luminii semnalului este reglabilă în intervalul de infraroșu mediu, în timp ce lumina auxiliară acționează ca feedback către sursa de lumină a pompei. OPO are o eficiență ridicată de conversie și o gamă largă de reglare a frecvenței, așa că este utilizat pe scară largă în cercetarea și aplicațiile cu laser cu infraroșu mediu.

Diferență de aplicație: OPO este potrivit pentru aplicații care necesită reglare a frecvenței. Prin ajustarea frecvenței luminii pompei sau a condițiilor de potrivire a fazei cristalului neliniar, se poate obține o ieșire laser reglabilă în mod continuu în domeniul infraroșu mediu. OPO poate fi utilizat în analiza spectrală, detectarea gazelor, imagistica biomedicală și în alte domenii și este potrivit în special pentru aplicații care necesită analiză de înaltă sensibilitate sau imagistica microscopică în banda de infraroșu mijlociu.

Cascada cuantică:

Laserul cuantic în cascadă este un laser bazat pe o structură superlatice semiconductoare care generează lumină laser cu infraroșu mediu printr-un proces cuantic în cascadă. Într-un laser cu cascadă cuantică, electronii eliberează energie printr-un proces de tranziție pas cu pas între mai multe benzi de energie, producând radiații în infraroșu mediu reglabil continuu.

Diferențe de aplicație: Laserele cuantice în cascadă au o putere mai mare și o lățime de linie spectrală mai îngustă și sunt potrivite pentru măsurarea spectrală de înaltă rezoluție, lidar, imagistica în infraroșu și alte câmpuri. Laserele cuantice în cascadă pot funcționa și în medii cu temperatură ridicată, astfel încât sunt potrivite pentru aplicații care necesită lasere cu infraroșu mediu în condiții dure, cum ar fi inspecția industrială, monitorizarea mediului etc.

Pentru a rezuma, OPO este utilizat în principal pentru aplicații cu reglabilitate de înaltă frecvență, în timp ce laserele cuantice în cascadă sunt mai potrivite pentru putere mare, lățime de linie îngustă și temperatură ridicată.

Comparația specifică a diferențelor de valori ale parametrilor variază în funcție de modelul de produs și producător. Următoarele sunt exemple de comparații comune ale parametrilor:

——Reglabilitatea frecvenței:

OPO: Ieșirea laser în infraroșu mediu reglabil continuu poate fi realizată, cu un interval de frecvență de obicei de la sute de megaherți la câțiva gigaherți sau mai larg.

Cascada cuantică: intervalul de reglare a frecvenței este relativ îngust, de obicei de la zeci până la sute de megaherți sau mai îngust.

——Putere de ieșire și eficiență:

OPO: Puterea de ieșire este de obicei în intervalul de la câteva sute de miliwați la câțiva wați, iar eficiența conversiei poate ajunge la mai mult de 10%.

Cascada cuantică: puterea de ieșire este de obicei în intervalul de la zeci până la sute de miliwați, iar eficiența conversiei poate ajunge la mai mult de 20%.

——Lățimea liniei spectrale:

OPO: Lățimea de linie spectrală este îngustă, de obicei în intervalul de la câțiva gigaherți până la zeci de megaherți.

Cascada cuantică: lățimea de linie spectrală este relativ largă, de obicei în intervalul de la zeci de gigaherți la sute de megaherți.

--Temperatura de Operare:

OPO: De obicei, trebuie să funcționeze la o temperatură mai stabilă a camerei sau aproape de temperatura camerei.

Cascada cuantică: Poate funcționa la temperaturi de funcționare mai ridicate, de obicei peste temperatura camerei, chiar și până la zeci de grade Celsius.

Trebuie remarcat faptul că aceste valori sunt doar pentru referință generală și nu reprezintă parametrii specifici tuturor produselor comerciale. Parametrii reali depind de modelul produsului, progresele tehnologice și cerințele de proiectare și performanță ale producătorului. Atunci când selectați un anumit produs comercial, cel mai bine este să consultați fișa cu specificațiile produsului și documentația tehnică furnizată de producător pentru informații precise despre parametri.

④Sursă de lumină Supercontinuum

Există unele surse de lumină bazate pe generarea de supercontinuum care se întind pe o mare parte a benzii de infraroșu mediu. O astfel de sursă de lumină ar putea funcționa pe baza anumitor fibre optice în infraroșu mediu, prin care sunt trimise impulsuri de lumină intense pentru a crea interacțiuni neliniare puternice.

Dacă este necesară o lumină cu lățime de linie îngustă reglabilă, filtrele reglabile pot fi utilizate pentru a extrage componentele spectrale dorite din lumina cu spectru larg. În unele cazuri, întregul spectru este utilizat. Un exemplu este tomografia cu coerență optică (OCT). Acest proces este adesea efectuat la benzi cu lungime de undă mai scurtă. Cu toate acestea, avantajul luminii cu infraroșu mediu în această aplicație este că lumina infraroșu medie este mai puțin împrăștiată. În comparație cu benzile cu lungime de undă mai scurtă, are capacitatea de a pătrunde mai adânc.

Currently, the most popular commercial mid-infrared (mid-IR) light sources are optical parametric oscillators (OPOs) [1] and amplifiers (OPAs) [2], and quantum cascade lasers (QCLs) [3]. They have achieved very good performance and proven useful in many important applications. However, it should be noted that OPO/OPA are complex, susceptible to vibration, require frequent maintenance, and are difficult to scale up. QCLs can cover a significant emission band of ~3.5–12 μm, but they emit low output power with limited tunability per laser output wavelength. This has led to the need to find new alternative solutions for these laser sources. In this context, high-power mid-infrared supercontinuum generators appear to be of great interest, mainly due to their unique properties, the most important of which are their broad spectrum spanning thousands of nanometers, high spectral power density (>1 mW/nm), are o lățime de bandă mai mare, o coerență spațială mai mare, direcționalitate și luminozitate decât laserele tradiționale.

⑤Sursă de lumină micro-infraroșu mijlociu

În prezent, există multe încercări de a dezvolta circuite integrate fotonice pentru aplicații în infraroșu mediu, cum ar fi cele bazate pe platforme fotonice cu siliciu. Din păcate, nu este ușor să implementezi o sursă de lumină în infraroșu mijlociu pe un cip, ceea ce a condus la cercetări asupra multor metode posibile. Un exemplu este integrarea surselor de lumină pe alți semiconductori și, deși acest lucru prezintă dificultăți tehnice, există și exemple care implică tehnologia de legare flip-chip. O altă posibilitate este de a integra emițători de corp negru (→ radiație termică) sau materiale luminiscente, deși acest lucru nu are ca rezultat o radiație coerentă spațial.

Există și alte metode bazate pe conversia de frecvență neliniară, utilizând neliniaritatea Kerr pentru amestecarea cu patru unde sau împrăștierea Raman stimulată. Și folosind microrezonatoare, se pot genera și piepteni de frecvență.

in afara de asta

Următoarele sunt câteva surse de lumină cu infraroșu mediu care sunt utilizate mai rar. Deoarece nu sunt utilizate pe scară largă, ele nu vor fi discutate în detaliu aici, cum ar fi laserele cu electroni liberi și laserele cu CO₂ cu frecvență dublată.

Pe baza celor de mai sus, următoarea este o referință pentru compararea și selectarea diferitelor tipuri de laser: