Bliski infracrveni do srednje infracrveni podesivi laserski plan odabira

Ovaj članak ima za cilj raspravljati o nekim razmatranjima i prijedlozima programa pri odabiru izvora svjetlosti od bliskog do srednjeg infracrvenog svjetla. Ovaj članak uglavnom ukratko predstavlja i upoređuje četiri glavne kategorije optičkih parametarskih oscilatora (OPO), optičkih parametarskih pojačala (OPA), kvantnih kaskadnih lasera i superkontinualnih izvora svjetlosti.

1.Različite definicije spektralnog raspona

Uopšteno govoreći, kada ljudi govore o infracrvenim izvorima svetlosti, oni misle na svetlost vakuumskih talasnih dužina većih od ~700–800 nm (gornja granica opsega vidljivih talasnih dužina).

Donja granica specifične valne dužine nije jasno definirana u ovom opisu jer se percepcija infracrvenog zračenja ljudskog oka polako smanjuje, a ne prekida se na litici.

Na primjer, odziv svjetlosti na 700 nm na ljudsko oko je već vrlo nizak, ali ako je svjetlost dovoljno jaka, ljudsko oko može čak vidjeti svjetlost koju emituju neke laserske diode s valnim dužinama većim od 750 nm, što također čini infracrvenu laseri predstavljaju sigurnosni rizik. --Čak i ako nije jako svijetao ljudskom oku, njegova stvarna snaga može biti veoma velika.

Slično, kao donji granični raspon infracrvenog izvora svjetlosti (700~800 nm), gornja granica definicije izvora infracrvene svjetlosti je također neizvjesna. Uopšteno govoreći, to je oko 1 mm.

Evo nekoliko uobičajenih definicija infracrvenog opsega:

——Bliski infracrveni spektar (takođe nazvan IR-A), opseg ~750-1400 nm.
Laseri koji se emituju u ovoj regiji talasnih dužina skloni su buci i problemima bezbednosti ljudskog oka, jer je funkcija fokusiranja ljudskog oka kompatibilna sa bliskim infracrvenim i vidljivim opsegom svetlosti, tako da se izvor svetlosti u bliskom infracrvenom opsegu može prenositi i fokusirati na osetljiva retina na isti način, ali svetlo u bliskom infracrvenom opsegu Ne pokreće zaštitni refleks treptanja. Kao rezultat toga, retina ljudskog oka je oštećena pretjeranom energijom zbog neosjetljivosti. Stoga, kada koristite izvore svjetlosti u ovom opsegu, puna pažnja se mora posvetiti zaštiti očiju.

——Infracrveni opseg kratkih talasnih dužina (SWIR, IR-B) od 1.4-3 μm.
Ovo područje je relativno bezbedno za oči jer ovu svetlost apsorbuje oko pre nego što stigne do mrežnjače. Na primjer, u ovoj regiji djeluju pojačivači vlakana dopiranih erbijem koji se koriste u optičkim komunikacijama.
——Srednjotalasni infracrveni (MWIR) opseg je 3-8 μm.
Atmosfera pokazuje snažnu apsorpciju u dijelovima regije; mnogi atmosferski gasovi će imati apsorpcione linije u ovom pojasu, kao što su ugljen dioksid (CO2) i vodena para (H2O). Takođe zato što mnogi gasovi pokazuju snažnu apsorpciju u ovom opsegu. Karakteristike jake apsorpcije čine da se ovo spektralno područje široko koristi za detekciju gasova u atmosferi.

——Dugotalasni infracrveni (LWIR) opseg je 8-15 μm.
——Sljedeći je daleko infracrveni (FIR), koji se kreće od 15 μm-1 mm (ali postoje i definicije koje počinju od 50 μm, vidi ISO 20473). Ovo spektralno područje se prvenstveno koristi za termičko snimanje.
Ovaj članak ima za cilj raspraviti izbor širokopojasnih podesivih lasera talasne dužine sa blisko infracrvenim do srednjim infracrvenim izvorima svjetlosti, koji mogu uključivati ​​gore navedene infracrvene kratkovalne dužine (SWIR, IR-B, u rasponu od 1.4-3 μm) i dio srednjetalasnog infracrvenog (MWIR, raspon je 3-8 μm).

2.Typical Application

Tipična primena izvora svetlosti u ovom opsegu je identifikacija spektra laserske apsorpcije u gasovima u tragovima (npr. daljinsko ispitivanje u medicinskoj dijagnozi i monitoringu životne sredine). Ovdje analiza koristi prednosti jakih i karakterističnih apsorpcionih traka mnogih molekula u srednjem infracrvenom spektralnom području, koji služe kao "molekularni otisci prstiju". Iako se neke od ovih molekula mogu proučavati i putem pan-apsorpcionih linija u bliskom infracrvenom području, budući da su laserski izvori blizu infracrvenog zračenja lakši za pripremu, postoje prednosti korištenja jakih osnovnih apsorpcionih linija u srednjem infracrvenom području s većom osjetljivošću .

U srednjoj infracrvenoj slici koriste se i izvori svjetlosti u ovom opsegu. Ljudi obično iskorištavaju činjenicu da srednja infracrvena svjetlost može prodrijeti dublje u materijale i ima manje rasipanje. Na primjer, u odgovarajućim aplikacijama za hiperspektralnu sliku, bliski infracrveni do srednji infracrveni mogu pružiti spektralne informacije za svaki piksel (ili voksel).

Zbog kontinuiranog razvoja laserskih izvora srednjeg infracrvenog spektra, kao što su laseri s vlaknima, aplikacije za obradu nemetalnih laserskih materijala postaju sve praktičnije. Obično ljudi koriste prednost snažne apsorpcije infracrvene svjetlosti od strane određenih materijala, kao što su polimerni filmovi, kako bi selektivno uklonili materijale.

Tipičan slučaj je da prozirni provodljivi filmovi od indijum-kalaj oksida (ITO) koji se koriste za elektrode u elektronskim i optoelektronskim uređajima moraju biti strukturirani selektivnom laserskom ablacijom. Drugi primjer je precizno skidanje premaza na optičkim vlaknima. Nivoi snage potrebni u ovom opsegu za takve aplikacije su obično mnogo niži od onih potrebnih za aplikacije kao što je lasersko rezanje.

Blisko infracrvene do srednje infracrvene izvore svjetlosti vojska također koristi za usmjerene infracrvene protumjere protiv projektila koji traže toplinu. Pored veće izlazne snage pogodne za zasljepljujuće infracrvene kamere, široka spektralna pokrivenost unutar atmosferskog opsega prijenosa (oko 3-4 μm i 8-13 μm) je također potrebna kako bi se spriječilo da jednostavni filteri sa zarezima zaštite infracrvene detektore.

Prozor za atmosferski prijenos koji je gore opisan može se koristiti i za optičke komunikacije u slobodnom prostoru putem usmjerenih zraka, a kvantni kaskadni laseri se koriste u mnogim aplikacijama u tu svrhu.

U nekim slučajevima su potrebni ultrakratki impulsi srednjeg infracrvenog spektra. Na primjer, moglo bi se koristiti češljeve srednje infracrvene frekvencije u laserskoj spektroskopiji, ili iskoristiti visoke vršne intenzitete ultrakratkih impulsa za laser. Ovo se može generirati laserom s zaključavanjem moda.

Konkretno, za bliske infracrvene do srednje infracrvene izvore svjetlosti, neke aplikacije imaju posebne zahtjeve za skeniranje valnih dužina ili podesivost valnih dužina, a laseri podesivih talasnih dužina blizu infracrvene do srednje infracrvene također igraju izuzetno važnu ulogu u ovim aplikacijama.

Na primjer, u spektroskopiji, laseri koji se mogu podesiti srednjem infracrvenom zračenjem su osnovni alati, bilo da se radi o senzorima plina, praćenju okoliša ili kemijskoj analizi. Naučnici prilagođavaju talasnu dužinu lasera kako bi ga precizno pozicionirali u srednjem infracrvenom opsegu kako bi detektovali specifične molekularne apsorpcione linije. Na taj način mogu dobiti detaljne informacije o sastavu i svojstvima materije, poput probijanja šifrarnika pune tajni.

U polju medicinskog snimanja, srednje infracrveni podesivi laseri također igraju važnu ulogu. Široko se koriste u neinvazivnim dijagnostičkim i slikovnim tehnologijama. Preciznim podešavanjem talasne dužine lasera, srednja infracrvena svetlost može prodrijeti u biološko tkivo, što rezultira slikama visoke rezolucije. Ovo je važno za otkrivanje i dijagnosticiranje bolesti i abnormalnosti, poput magične svjetlosti koja zaviruje u unutrašnje tajne ljudskog tijela.

Oblast odbrane i bezbednosti je takođe neodvojiva od primene srednje infracrvenih podesivih lasera. Ovi laseri igraju ključnu ulogu u infracrvenim protumjerama, posebno protiv raketa koje traže toplinu. Na primjer, Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) može zaštititi avione od praćenja i napada projektilima. Brzim podešavanjem talasne dužine lasera, ovi sistemi mogu ometati sistem navođenja nadolazećih projektila i trenutno preokrenuti tok bitke, poput čarobnog mača koji čuva nebo.

Tehnologija daljinskog otkrivanja je važno sredstvo za posmatranje i praćenje Zemlje, u čemu infracrveni podesivi laseri igraju ključnu ulogu. Polja kao što su praćenje životne sredine, istraživanje atmosfere i posmatranje Zemlje oslanjaju se na upotrebu ovih lasera. Srednji infracrveni podesivi laseri omogućavaju naučnicima da mjere specifične apsorpcione linije gasova u atmosferi, dajući vrijedne podatke koji pomažu u istraživanju klime, praćenju zagađenja i prognozi vremena, poput čarobnog ogledala koje može vidjeti misterije prirode.

U industrijskim okruženjima, srednje infracrveni podesivi laseri se široko koriste za preciznu obradu materijala. Podešavanjem lasera na valne dužine koje su jako apsorbirane od strane određenih materijala, oni omogućavaju selektivnu ablaciju, rezanje ili zavarivanje. Ovo omogućava preciznu proizvodnju u oblastima kao što su elektronika, poluvodiči i mikromašinska obrada. Srednji infracrveni podesivi laser je poput fino poliranog noža za rezbarenje, omogućavajući industriji da izrezuje fino izrezbarene proizvode i pokaže briljantnost tehnologije.

3. Bliski infracrveni do srednje infracrveni podesivi laserski tipovi proizvoda i karakteristike odabira

Mnoge tehnologije mogu proizvesti lasere blizu infracrvenog do srednjeg infracrvenog, kao što su različiti tipovi lasera sa soli olova na bazi ranih ternarnih jedinjenja olova ili kvaternarnih jedinjenja, kao i uobičajeni dopirani izolatorski laseri, različiti laseri sa vlaknima i laseri na gas ugljičnog dioksida. Čekajte, ovdje se fokusiramo na nekoliko laserskih principa tehnologija i proizvoda koji se mogu podesiti u širokom rasponu valnih dužina od blizu infracrvene do srednje infracrvene.

①Optički parametarski oscilatori, pojačala i generatori (OPO i OPA)

U sistemu nelinearne konverzije frekvencije, laser blizu infracrvenog zračenja, optički parametarski oscilator (OPO), pojačalo (OPA) ili generator (OPG) mogu se koristiti za generiranje praznog svjetla u srednjem infracrvenom spektralnom području, kao što su:
U nanosekundnim OPO srednjim infracrvenim laserima, laseri s Q-switchedom mogu se koristiti kao izvori pumpe. Uobičajeni kristalni materijali koji se koriste za takve aplikacije su cink germanijum fosfid (ZGP, ZnGeP2), srebro-galijum sulfid i selenid (AgGaS2, AgGaSe2), galijum selenid (GaSe) i kadmijum selenid (CdSe).
Budući da su mnogi od ovih materijala neprozirni u području od 1 μm, često je potrebno koristiti OPO u seriji: prvi OPO pretvara lasersko zračenje od 1 μm u veću talasnu dužinu, koja se zatim koristi za pumpanje stvarnog srednjeg infracrvenog OPO. Potonji signal i frekvencija mirovanja mogu biti u srednjem infracrvenom području spektra.
Pikosekundni Nd:YVO4 laser sa blokadom od 1064 nm takođe se može koristiti za sinhrono pumpanje OPO i LiNbO3 kristala, omogućavajući izlaz svetlosti praznog hoda da dostigne 4 μm ili čak 4,5 μm. Njegovo ograničenje talasne dužine je uglavnom superiornije od povećanja apsorpcije svetla u praznom hodu na dugim talasnim dužinama. Stoga, OPO zasnovani na ovom principu obično imaju rezonantni signal. Takav uređaj bi lako mogao generirati impulse s energijom u desetinama milidžula. Izlazna talasna dužina je podesiva na stotine nanometara.

②CWOPO

U poređenju sa impulsnom pobudom opšteg OPO, noviji CWOPO tehnološki proizvodi pružaju srednje infracrvene lasere zasnovane na sledećem okviru:

1) DFB fiber laseri i pojačivači;

2) DFB fiber laser kontrola;

3) OPO optički deo i kontrola;
Ova vrsta proizvoda može pružiti kontinuirano podesivu izlaznu talasnu dužinu u srednjem infracrvenom opsegu od 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Istovremeno, u poređenju sa pulsnim OPO, ova vrsta proizvoda može pružiti odličnu širinu linije. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Kvantni kaskadni laser

Kvantni kaskadni laseri su relativno novi pravac razvoja u oblasti poluvodičkih lasera.

Razlika između kvantnih kaskadnih lasera i ranih srednjih infracrvenih poluvodičkih lasera zasnovanih na međupojasnim prijelazima je u tome što rade na osnovu međupojasnih prijelaza.

Ovo omogućava kvantnim kaskadnim laserima da konstruišu detalje strukture poluprovodničkog sloja tako da energija prelaza fotona (a samim tim i talasna dužina) može da varira u širokom opsegu. Pored toga, neki važni opsezi podešavanja talasne dužine (ponekad prelaze 10% centralne talasne dužine) takođe mogu biti pokriveni preko spoljnih uređaja za šupljinu.

Iako je trenutno potrebno kriogeno hlađenje za postizanje optimalnih performansi, mnogi kvantni kaskadni laseri i dalje mogu raditi na sobnoj temperaturi, čak i kontinuirano. Kvantni kaskadni laseri se također mogu koristiti za generiranje impulsnih lasera s vremenom impulsa čak i znatno ispod 1 ns, iako je vršna snaga prilično ograničena.

Što se tiče snage, iako njegova izlazna snaga može doseći 1 W kroz optimizaciju, izlazna snaga ovog tipa lasera je još uvijek niža od one kod uobičajenih infracrvenih lasera. Jer, u oblasti kvantnih kaskadnih lasera, koji se uglavnom koriste u spektroskopiji, kvantni kaskadni laseri su ograničeni na prelaze sa nižom energijom fonona.

Evo nekih uobičajenih parametara i tipova:
CW-DFB laserska cijev 800 cm-1-2320 cm-1
Impulsna DFB laserska cijev 700 cm-1-2350 cm-1
Rashladna DFB laserska cijev 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (optički parametarski oscilator) i kvantna kaskada su dvije najčešće korištene tehnologije u generiranju srednjih infracrvenih lasera i imaju neke značajne razlike u primjeni.

OPO (optički parametarski oscilator, optički parametarski oscilator):

OPO je nelinearni optički uređaj koji koristi parametarske procese u nelinearnim optičkim kristalima ili optičkim vlaknima za generiranje novih valnih dužina, uključujući srednji infracrveni pojas. OPO pobuđuje parametarske oscilacije kroz izvor svjetlosti pumpe, gdje nelinearni materijali u oscilatoru dijele svjetlo pumpe na signalno svjetlo i pomoćno svjetlo. Talasna dužina signalnog svjetla je podesiva u srednjem infracrvenom opsegu, dok pomoćno svjetlo djeluje kao povratna informacija izvoru svjetlosti pumpe. OPO ima visoku efikasnost konverzije i širok opseg podešavanja frekvencije, tako da se široko koristi u istraživanju i aplikacijama lasera srednjeg infracrvenog spektra.

Razlika u primjeni: OPO je pogodan za aplikacije koje zahtijevaju podešavanje frekvencije. Podešavanjem frekvencije svjetla pumpe ili uvjeta usklađivanja faze nelinearnog kristala, kontinuirano podesivi laserski izlaz može se postići u srednjem infracrvenom opsegu. OPO se može koristiti u spektralnoj analizi, detekciji gasa, biomedicinskom snimanju i drugim poljima, a posebno je pogodan za aplikacije koje zahtevaju analizu visoke osetljivosti ili mikroskopsko snimanje u srednjem infracrvenom opsegu.

kvantna kaskada:

Kvantni kaskadni laser je laser baziran na poluvodičkoj superrešetkastoj strukturi koja generiše srednje infracrveno lasersko svjetlo kroz kvantni kaskadni proces. U kvantnom kaskadnom laseru, elektroni oslobađaju energiju kroz proces prijelaza korak po korak između više energetskih opsega, proizvodeći kontinuirano podesivo srednje infracrveno zračenje.

Razlike u primjeni: Kvantni kaskadni laseri imaju veću snagu i užu spektralnu širinu linije, te su pogodni za spektralna mjerenja visoke rezolucije, lidar, infracrveno snimanje i druga polja. Kvantni kaskadni laseri također mogu raditi u okruženjima s visokim temperaturama, tako da su pogodni za aplikacije koje zahtijevaju srednje infracrvene lasere u teškim uvjetima, kao što su industrijska inspekcija, praćenje okoliša, itd.

Ukratko, OPO se uglavnom koristi za aplikacije sa visokofrekventnom prilagodljivošću, dok su kvantni kaskadni laseri pogodniji za veliku snagu, usku širinu linije i visoke temperature.

Specifično poređenje razlika u vrijednosti parametara razlikuje se od modela proizvoda i proizvođača. Slijede primjeri nekih uobičajenih poređenja parametara:

——Podešavanje frekvencije:

OPO: Može se postići kontinuirano podesiv srednji infracrveni laserski izlaz, sa frekvencijskim opsegom obično od stotina megaherca do nekoliko gigaherca ili šire.

Kvantna kaskada: Opseg podešavanja frekvencije je relativno uzak, obično desetine do stotine megaherca ili uži.

——Izlazna snaga i efikasnost:

OPO: Izlazna snaga je obično u rasponu od nekoliko stotina milivata do nekoliko vati, a efikasnost konverzije može doseći više od 10%.

Kvantna kaskada: Izlazna snaga je obično u rasponu od desetina do stotina milivata, a efikasnost konverzije može doseći više od 20%.

——Širina spektralne linije:

OPO: Širina spektralne linije je uska, obično u rasponu od nekoliko gigaherca do desetina megaherca.

Kvantna kaskada: Širina spektralne linije je relativno široka, obično u rasponu od desetina gigaherca do stotina megaherca.

--Radna temperatura:

OPO: Obično treba da radi na stabilnijoj sobnoj temperaturi ili blizu sobne temperature.

Kvantna kaskada: Može raditi na višim radnim temperaturama, obično iznad sobne temperature, čak i do desetina stepeni Celzijusa.

Treba napomenuti da su ove vrijednosti samo za opću referencu i ne predstavljaju specifične parametre svih komercijalnih proizvoda. Stvarni parametri ovise o modelu proizvoda, tehnološkom napretku i zahtjevima proizvođača o dizajnu i performansama. Prilikom odabira određenog komercijalnog proizvoda, najbolje je pogledati specifikaciju proizvoda i tehničku dokumentaciju koju je dostavio proizvođač za točne informacije o parametrima.

④Superkontinualni izvor svjetlosti

Postoje neki izvori svjetlosti zasnovani na generiranju superkontinuuma koji pokrivaju veliki dio srednjeg infracrvenog pojasa. Takav izvor svjetlosti mogao bi raditi na osnovu određenih srednjih infracrvenih optičkih vlakana, kroz koja se šalju intenzivni svjetlosni impulsi kako bi se stvorile snažne nelinearne interakcije.

Ako je potrebno podesivo svjetlo uske širine linije, podesivi filteri se mogu koristiti za izdvajanje željenih spektralnih komponenti iz svjetlosti širokog spektra. U nekim slučajevima se koristi cijeli spektar. Jedan primjer je optička koherentna tomografija (OCT). Ovaj proces se često izvodi na kraćim valnim dužinama. Međutim, prednost srednjeg infracrvenog svjetla u ovoj aplikaciji je u tome što se svjetlo srednjeg infracrvenog spektra manje raspršuje. U poređenju sa opsezima kraćih talasnih dužina, ima sposobnost prodiranja dublje.

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), ima širi propusni opseg, veću prostornu koherentnost, usmjerenost i svjetlinu od tradicionalnih lasera.

⑤Mikro srednji infracrveni izvor svjetlosti

Trenutno postoje mnogi pokušaji da se razviju fotonska integrirana kola za srednje infracrvene aplikacije, poput onih baziranih na fotoničkim platformama silikona. Nažalost, nije lako implementirati izvor srednjeg infracrvenog svjetla na čip, što je dovelo do istraživanja mnogih mogućih metoda. Jedan primjer je integracija izvora svjetlosti u druge poluvodiče, i iako to predstavlja tehničke poteškoće, postoje i primjeri koji uključuju tehnologiju spajanja flip-chip-a. Druga mogućnost je integracija emitera crnog tijela (→ toplinsko zračenje) ili luminiscentnih materijala, iako to ne rezultira prostorno koherentnim zračenjem.

Postoje i druge metode bazirane na nelinearnoj konverziji frekvencije, koristeći Kerrovu nelinearnost za četverovalno miješanje ili stimulirano Ramanovo raspršenje. A pomoću mikrorezonatora, frekvencijski češljevi se također mogu generirati.

osim toga

Slijede neki izvori srednjeg infracrvenog svjetla koji se rjeđe koriste. Budući da se ne koriste u širokoj upotrebi, ovdje se neće govoriti previše o njima, kao što su laseri sa slobodnim elektronima i CO₂ laseri s udvostručenom frekvencijom.

Na osnovu gore navedenog, ovo je referenca za poređenje i odabir različitih tipova lasera: