Plan wyboru przestrajalnego lasera przestrajalnego w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni

Celem tego artykułu jest omówienie niektórych kwestii i sugestii programowych przy wyborze źródeł światła od bliskiej do średniej podczerwieni. W tym artykule głównie pokrótce przedstawiono i porównano cztery główne kategorie optycznych oscylatorów parametrycznych (OPO), optycznych wzmacniaczy parametrycznych (OPA), kwantowych laserów kaskadowych i superciągłych źródeł światła.

1.Różne definicje zakresów widmowych

Ogólnie rzecz biorąc, gdy ludzie mówią o źródłach światła podczerwonego, mają na myśli światło o długości fali próżni większej niż ~ 700–800 nm (górna granica zakresu długości fal widzialnych).

Dolna granica konkretnej długości fali nie jest jasno zdefiniowana w tym opisie, ponieważ postrzeganie podczerwieni przez ludzkie oko powoli maleje, a nie zanika na klifie.

Na przykład reakcja ludzkiego oka na światło o długości fali 700 nm jest już bardzo słaba, ale jeśli światło jest wystarczająco mocne, ludzkie oko może nawet zobaczyć światło emitowane przez niektóre diody laserowe o długości fali przekraczającej 750 nm, co również powoduje powstawanie podczerwieni lasery stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa. --Nawet jeśli nie jest zbyt jasny dla ludzkiego oka, jego rzeczywista moc może być bardzo duża.

Podobnie, podobnie jak dolny zakres definicji źródła światła podczerwonego (700 ~ 800 nm), górny zakres definicji źródła światła podczerwonego również jest niepewny. Ogólnie rzecz biorąc, jest to około 1 mm.

Oto kilka powszechnych definicji pasma podczerwieni:

—— Obszar widma bliskiej podczerwieni (zwany także IR-A), zakres ~750-1400 nm.
Lasery emitowane w tym zakresie długości fal są podatne na zakłócenia i stwarzają problemy związane z bezpieczeństwem ludzkiego oka, ponieważ funkcja skupiania oka ludzkiego jest kompatybilna z zakresami światła bliskiej podczerwieni i światła widzialnego, dzięki czemu źródło światła pasma bliskiej podczerwieni może być przesyłane i skupiane na wrażliwa siatkówka w ten sam sposób, ale światło pasma bliskiej podczerwieni nie wyzwala ochronnego odruchu mrugnięcia. W rezultacie siatkówka ludzkiego oka jest uszkadzana przez nadmierną energię wynikającą z niewrażliwości. Dlatego stosując źródła światła w tym paśmie należy zwrócić szczególną uwagę na ochronę oczu.

—— Zakres krótkich fal podczerwieni (SWIR, IR-B) od 1,4-3 μm.
Obszar ten jest stosunkowo bezpieczny dla oczu, ponieważ światło to jest pochłaniane przez oko, zanim dotrze do siatkówki. Na przykład w tym regionie działają wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem stosowane w komunikacji światłowodowej.
—— Zasięg średniofalowej podczerwieni (MWIR) wynosi 3-8 μm.
W niektórych częściach regionu atmosfera wykazuje silną absorpcję; wiele gazów atmosferycznych będzie miało linie absorpcyjne w tym paśmie, np. dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Również dlatego, że wiele gazów wykazuje silną absorpcję w tym paśmie. Silna charakterystyka absorpcji sprawia, że ​​ten obszar widmowy jest szeroko stosowany do wykrywania gazów w atmosferze.

—— Zasięg podczerwieni długofalowej (LWIR) wynosi 8-15 μm.
——Następna jest daleka podczerwień (FIR), która waha się od 15 μm-1 mm (ale istnieją też definicje rozpoczynające się od 50 μm, patrz ISO 20473). Ten obszar widmowy jest używany głównie do obrazowania termowizyjnego.
Celem tego artykułu jest omówienie wyboru szerokopasmowych laserów o przestrajalnej długości fali ze źródłami światła od bliskiej do średniej podczerwieni, które mogą obejmować powyższą podczerwień o krótkich falach (SWIR, IR-B, w zakresie od 1,4-3 μm). i część średniofalowej podczerwieni (MWIR, zakres wynosi 3-8 μm).

2.Typowe zastosowanie

Typowym zastosowaniem źródeł światła w tym paśmie jest identyfikacja widm absorpcji lasera w gazach śladowych (np. teledetekcja w diagnostyce medycznej i monitorowaniu środowiska). W tym przypadku analiza wykorzystuje silne i charakterystyczne pasma absorpcji wielu cząsteczek w obszarze widma średniej podczerwieni, które służą jako „molekularne odciski palców”. Chociaż niektóre z tych cząsteczek można również badać za pomocą linii absorpcji pana w obszarze bliskiej podczerwieni, ponieważ źródła laserowe bliskiej podczerwieni są łatwiejsze do przygotowania, istnieją zalety stosowania silnych podstawowych linii absorpcyjnych w obszarze średniej podczerwieni o wyższej czułości .

W obrazowaniu w średniej podczerwieni wykorzystywane są również źródła światła w tym paśmie. Ludzie zwykle korzystają z faktu, że światło średniej podczerwieni może wnikać głębiej w materiały i jest mniej rozpraszane. Na przykład w odpowiednich zastosowaniach obrazowania hiperspektralnego od bliskiej do średniej podczerwieni można dostarczyć informacji widmowych dla każdego piksela (lub woksela).

W związku z ciągłym rozwojem źródeł lasera średniej podczerwieni, takich jak lasery światłowodowe, zastosowania w obróbce laserowej materiałów niemetalowych stają się coraz bardziej praktyczne. Zazwyczaj ludzie wykorzystują silną absorpcję światła podczerwonego przez niektóre materiały, takie jak folie polimerowe, do selektywnego usuwania materiałów.

Typowym przypadkiem jest to, że przezroczyste folie przewodzące z tlenku indu i cyny (ITO) stosowane na elektrody w urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych muszą być strukturyzowane za pomocą selektywnej ablacji laserowej. Innym przykładem jest precyzyjne usuwanie powłok ze światłowodów. Poziomy mocy wymagane w tym paśmie dla takich zastosowań są zazwyczaj znacznie niższe niż te wymagane w zastosowaniach takich jak cięcie laserowe.

Źródła światła bliskiej i średniej podczerwieni są również wykorzystywane przez wojsko do kierunkowych środków zaradczych w podczerwieni przeciwko rakietom namierzającym ciepło. Oprócz wyższej mocy wyjściowej odpowiedniej dla oślepiających kamer na podczerwień, wymagane jest również szerokie pokrycie widma w paśmie transmisji atmosferycznej (około 3-4 μm i 8-13 μm), aby zapobiec ochronie detektorów podczerwieni przez proste filtry karbowane.

Opisane powyżej okno transmisji atmosferycznej można również wykorzystać do komunikacji optycznej w wolnej przestrzeni za pośrednictwem wiązek kierunkowych, a w wielu zastosowaniach wykorzystuje się w tym celu kwantowe lasery kaskadowe.

W niektórych przypadkach wymagane są ultrakrótkie impulsy średniej podczerwieni. Na przykład można zastosować grzebienie częstotliwości średniej podczerwieni w spektroskopii laserowej lub wykorzystać wysokie intensywności szczytowe ultrakrótkich impulsów do laserowania. Można to wygenerować za pomocą lasera z synchronizacją modów.

W szczególności w przypadku źródeł światła od bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni niektóre zastosowania mają specjalne wymagania dotyczące długości fal skanowania lub przestrajania długości fali, a przestrajalne lasery o długości fali od bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni również odgrywają niezwykle ważną rolę w tych zastosowaniach.

Na przykład w spektroskopii przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni są niezbędnymi narzędziami, czy to w wykrywaniu gazów, monitorowaniu środowiska, czy analizie chemicznej. Naukowcy dostosowują długość fali lasera, aby precyzyjnie ustawić go w zakresie średniej podczerwieni i wykryć określone linie absorpcji molekularnej. W ten sposób mogą uzyskać szczegółowe informacje na temat składu i właściwości materii, niczym złamanie księgi kodów pełnej tajemnic.

W dziedzinie obrazowania medycznego ważną rolę odgrywają również przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni. Znajdują szerokie zastosowanie w nieinwazyjnych technologiach diagnostycznych i obrazowych. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu długości fali lasera światło średniej podczerwieni może przenikać tkankę biologiczną, tworząc obrazy o wysokiej rozdzielczości. Jest to ważne przy wykrywaniu i diagnozowaniu chorób i nieprawidłowości, niczym magiczne światło zaglądające w wewnętrzne tajemnice ludzkiego ciała.

Z zastosowaniem przestrajalnych laserów średniej podczerwieni nierozerwalnie wiąże się także dziedzina obronności i bezpieczeństwa. Lasery te odgrywają kluczową rolę w środkach zaradczych na podczerwień, szczególnie przeciwko rakietom naprowadzanym na ciepło. Na przykład kierunkowy system przeciwdziałania podczerwieni (DIRCM) może chronić samoloty przed śledzeniem i atakiem rakietowym. Dzięki szybkiej regulacji długości fali lasera systemy te mogą zakłócać system naprowadzania nadlatujących rakiet i natychmiast odwrócić losy bitwy, niczym magiczny miecz strzegący nieba.

Technologia teledetekcji jest ważnym sposobem obserwacji i monitorowania Ziemi, w której kluczową rolę odgrywają przestrajalne lasery na podczerwień. Dziedziny takie jak monitorowanie środowiska, badania atmosfery i obserwacja Ziemi opierają się na wykorzystaniu tych laserów. Przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni umożliwiają naukowcom pomiar określonych linii absorpcji gazów w atmosferze, dostarczając cennych danych pomocnych w badaniach klimatycznych, monitorowaniu zanieczyszczeń i prognozowaniu pogody, niczym magiczne lustro, które może zajrzeć w tajemnice natury.

W warunkach przemysłowych do precyzyjnej obróbki materiałów powszechnie stosuje się przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni. Dostrajając lasery do długości fal silnie absorbowanych przez określone materiały, umożliwiają selektywną ablację, cięcie lub spawanie. Umożliwia to precyzyjną produkcję w takich obszarach, jak elektronika, półprzewodniki i mikroobróbka. Przestrajalny laser o średniej podczerwieni działa jak drobno wypolerowany nóż rzeźbiarski, umożliwiając przemysłowi wycinanie drobno rzeźbionych produktów i pokazywanie blasku technologii.

3.Typy produktów laserowych przestrajalnych w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni oraz charakterystyka wyboru

Wiele technologii umożliwia wytwarzanie laserów od bliskiej do średniej podczerwieni, takich jak różne typy laserów solnych ołowiu opartych na wczesnych trójskładnikowych związkach ołowiu lub związkach czwartorzędowych, a także powszechnie stosowane lasery z domieszkowanymi izolatorami masowymi, różne lasery światłowodowe i lasery gazowe z dwutlenkiem węgla. Czekaj, tutaj skupiamy się na kilku technologiach i produktach laserowych, które można dostroić w szerokim zakresie długości fal, od bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni.

①Optyczne oscylatory parametryczne, wzmacniacze i generatory (OPO i OPA)

W nieliniowym systemie konwersji częstotliwości laser bliskiej podczerwieni, optyczny oscylator parametryczny pompy (OPO), wzmacniacz (OPA) lub generator (OPG) mogą być użyte do generowania światła jałowego w obszarze widma średniej podczerwieni, takiego jak:
W nanosekundowych laserach średniej podczerwieni OPO lasery z przełączaniem Q mogą służyć jako źródła pomp. Typowymi materiałami krystalicznymi używanymi do takich zastosowań są fosforek cynku i germanu (ZGP, ZnGeP2), siarczek i selenek srebra i galu (AgGaS2, AgGaSe2), selenek galu (GaSe) i selenek kadmu (CdSe).
Ponieważ wiele z tych materiałów jest nieprzezroczystych w obszarze 1 μm, często konieczne jest stosowanie OPO szeregowo: pierwszy OPO przekształca promieniowanie laserowe 1 μm na dłuższą długość fali, która jest następnie wykorzystywana do pompowania rzeczywistego OPO średniej podczerwieni. Zarówno sygnał, jak i częstotliwość biegu jałowego tego ostatniego mogą znajdować się w obszarze widma średniej podczerwieni.
Laser pikosekundowy Nd:YVO4 z synchronizacją modową o długości fali 1064 nm może być również używany do synchronicznego pompowania kryształów OPO i LiNbO3, umożliwiając osiągnięcie strumienia światła na biegu jałowym na poziomie 4 μm, a nawet 4,5 μm. Ograniczenie długości fali jest głównie lepsze niż zwiększenie absorpcji światła na biegu jałowym przy długich falach. Dlatego OPO oparte na tej zasadzie zwykle mają sygnał rezonansowy. Takie urządzenie mogłoby z łatwością generować impulsy o energii rzędu dziesiątek milidżuli. Długość fali wyjściowej można regulować w zakresie setek nanometrów.

②CWOPO

W porównaniu ze wzbudzeniem impulsowym ogólnego OPO, najnowsze produkty technologii CWOPO zapewniają lasery średniej podczerwieni w oparciu o następującą strukturę:

1) lasery i wzmacniacze światłowodowe DFB;

2) sterowanie laserem światłowodowym DFB;

3) Część optyczna i sterowanie OPO;
Produkt tego typu zapewnia płynną regulację długości fali wyjściowej w zakresie średniej podczerwieni wynoszącej 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Jednocześnie w porównaniu do pulsacyjnego OPO, tego typu produkt może zapewnić doskonałą szerokość linii. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Kwantowy laser kaskadowy

Kwantowe lasery kaskadowe stanowią stosunkowo nowy kierunek rozwoju w dziedzinie laserów półprzewodnikowych.

Różnica między kwantowymi laserami kaskadowymi a wczesnymi laserami półprzewodnikowymi średniej podczerwieni opartymi na przejściach międzypasmowych polega na tym, że działają one w oparciu o przejścia między podpasmami.

Umożliwia to laserom kaskady kwantowej projektowanie szczegółów struktury warstwy półprzewodnika w taki sposób, że energia fotonu przejścia (a tym samym długość fali) może zmieniać się w szerokim zakresie. Ponadto niektóre ważne zakresy strojenia długości fali (czasami przekraczające 10% środkowej długości fali) mogą być również objęte zewnętrznymi urządzeniami wnękowymi.

Chociaż obecnie do osiągnięcia optymalnej wydajności wymagane jest chłodzenie kriogeniczne, wiele laserów kaskadowych kwantowych można nadal pracować w temperaturze pokojowej, nawet w sposób ciągły. Kwantowe lasery kaskadowe można również wykorzystać do generowania laserów impulsowych o czasach impulsu nawet znacznie poniżej 1 ns, chociaż moc szczytowa jest raczej ograniczona.

Jeśli chodzi o moc, chociaż w wyniku optymalizacji moc wyjściowa może osiągnąć 1 W, moc wyjściowa tego typu lasera jest nadal niższa niż w przypadku zwykłych laserów na podczerwień. Ponieważ w dziedzinie laserów kaskadowych kwantowych, które są stosowane głównie w spektroskopii, lasery kaskadowe kwantowe ograniczają się do przejść o niższej energii fononów.

Oto kilka typowych parametrów i typów:
Tuba laserowa CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Impulsowa rura laserowa DFB 700 cm-1-2350 cm-1
Chłodzona rura laserowa DFB 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (optyczny oscylator parametryczny) i kaskada kwantowa to dwie powszechnie stosowane technologie w generowaniu lasera średniej podczerwieni i mają pewne istotne różnice w zastosowaniach.

OPO (optyczny oscylator parametryczny, optyczny oscylator parametryczny):

OPO to nieliniowe urządzenie optyczne, które wykorzystuje procesy parametryczne w nieliniowych kryształach optycznych lub światłowodach do generowania nowych długości fal, w tym pasma średniej podczerwieni. OPO wzbudza oscylacje parametryczne poprzez źródło światła pompy, gdzie nieliniowe materiały w oscylatorze dzielą światło pompy na światło sygnalizacyjne i światło pomocnicze. Długość fali światła sygnalizacyjnego można dostroić do zakresu średniej podczerwieni, natomiast światło pomocnicze działa jako informacja zwrotna dla źródła światła pompy. OPO ma wysoką wydajność konwersji i szeroki zakres strojenia częstotliwości, dlatego jest szeroko stosowany w badaniach i zastosowaniach laserów średniej podczerwieni.

Różnica w zastosowaniu: OPO nadaje się do zastosowań wymagających dostrajania częstotliwości. Dostosowując częstotliwość światła pompy lub warunki dopasowania fazowego nieliniowego kryształu, można uzyskać płynnie przestrajalną moc lasera w zakresie średniej podczerwieni. OPO można stosować w analizie spektralnej, detekcji gazów, obrazowaniu biomedycznym i innych dziedzinach, a szczególnie nadaje się do zastosowań wymagających analizy o wysokiej czułości lub obrazowania mikroskopowego w paśmie średniej podczerwieni.

Kaskada kwantowa:

Kwantowy laser kaskadowy to laser oparty na półprzewodnikowej strukturze supersieci, który generuje światło laserowe średniej podczerwieni w procesie kaskady kwantowej. W kwantowym laserze kaskadowym elektrony uwalniają energię w stopniowym procesie przejścia między wieloma pasmami energii, wytwarzając w sposób ciągły przestrajalne promieniowanie średniej podczerwieni.

Różnice w zastosowaniach: Kwantowe lasery kaskadowe mają większą moc i węższą szerokość linii widmowej i nadają się do pomiarów widmowych o wysokiej rozdzielczości, lidaru, obrazowania w podczerwieni i innych dziedzin. Kwantowe lasery kaskadowe mogą również pracować w środowiskach o wysokiej temperaturze, dlatego nadają się do zastosowań wymagających laserów średniej podczerwieni w trudnych warunkach, takich jak inspekcja przemysłowa, monitorowanie środowiska itp.

Podsumowując, OPO jest stosowane głównie w zastosowaniach wymagających przestrajania wysokich częstotliwości, podczas gdy kwantowe lasery kaskadowe są bardziej odpowiednie do zastosowań o dużej mocy, wąskiej szerokości linii i wysokiej temperaturze.

Konkretne porównanie różnic wartości parametrów różni się w zależności od modelu produktu i producenta. Poniżej znajdują się przykłady niektórych typowych porównań parametrów:

—— Możliwość przestrajania częstotliwości:

OPO: Można uzyskać płynnie przestrajalną moc lasera średniej podczerwieni w zakresie częstotliwości zwykle od setek megaherców do kilku gigaherców lub więcej.

Kaskada kwantowa: zakres strojenia częstotliwości jest stosunkowo wąski, zwykle od kilkudziesięciu do setek megaherców lub węższy.

——Moc wyjściowa i wydajność:

OPO: Moc wyjściowa mieści się zwykle w zakresie od kilkuset miliwatów do kilku watów, a wydajność konwersji może osiągnąć ponad 10%.

Kaskada kwantowa: moc wyjściowa zwykle mieści się w zakresie od dziesiątek do setek miliwatów, a wydajność konwersji może osiągnąć ponad 20%.

—— Szerokość linii widmowej:

OPO: Szerokość linii widmowej jest wąska, zwykle w zakresie od kilku gigaherców do kilkudziesięciu megaherców.

Kaskada kwantowa: szerokość linii widmowej jest stosunkowo szeroka, zwykle w zakresie od dziesiątek gigaherców do setek megaherców.

--Temperatura robocza:

OPO: Zwykle musi działać w bardziej stabilnej temperaturze pokojowej lub zbliżonej do temperatury pokojowej.

Kaskada kwantowa: Może pracować w wyższych temperaturach pracy, zwykle powyżej temperatury pokojowej, nawet do kilkudziesięciu stopni Celsjusza.

Należy zauważyć, że wartości te służą wyłącznie celowi ogólnemu i nie reprezentują konkretnych parametrów wszystkich produktów dostępnych na rynku. Rzeczywiste parametry zależą od modelu produktu, postępu technologicznego oraz wymagań projektowych i użytkowych producenta. Wybierając konkretny produkt komercyjny, najlepiej zapoznać się z kartą specyfikacji produktu i dokumentacją techniczną dostarczoną przez producenta, aby uzyskać dokładne informacje o parametrach.

④Źródło światła superkontinuum

Istnieją pewne źródła światła oparte na generacji superkontinuum, które obejmują dużą część pasma średniej podczerwieni. Takie źródło światła mogłoby działać w oparciu o pewne światłowody średniej podczerwieni, przez które przesyłane są intensywne impulsy świetlne, tworząc silne interakcje nieliniowe.

Jeśli wymagane jest przestrajalne światło o wąskiej szerokości linii, można zastosować przestrajalne filtry w celu wyodrębnienia pożądanych składowych widmowych ze światła o szerokim spektrum. W niektórych przypadkach wykorzystywane jest całe spektrum. Jednym z przykładów jest optyczna tomografia koherentna (OCT). Proces ten jest często przeprowadzany w krótszych pasmach fal. Jednakże zaletą światła średniej podczerwieni w tym zastosowaniu jest to, że światło średniej podczerwieni jest mniej rozproszone. W porównaniu z pasmami o krótszych falach ma zdolność głębszej penetracji.

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), ma szersze pasmo, wyższą spójność przestrzenną, kierunkowość i jasność niż tradycyjne lasery.

⑤Źródło światła mikro średniej podczerwieni

Obecnie podejmowanych jest wiele prób opracowania fotonicznych układów scalonych do zastosowań w średniej podczerwieni, takich jak te oparte na krzemowych platformach fotonicznych. Niestety, zaimplementowanie źródła światła średniej podczerwieni w chipie nie jest łatwe, co doprowadziło do badań nad wieloma możliwymi metodami. Jednym z przykładów jest integracja źródeł światła z innymi półprzewodnikami i chociaż stwarza to trudności techniczne, istnieją również przykłady obejmujące technologię łączenia typu flip-chip. Inną możliwością jest zintegrowanie emiterów ciała doskonale czarnego (→ promieniowanie cieplne) lub materiałów luminescencyjnych, choć nie skutkuje to przestrzennie spójnym promieniowaniem.

Istnieją inne metody oparte na nieliniowej konwersji częstotliwości, wykorzystujące nieliniowość Kerra do mieszania czterofalowego lub stymulowane rozpraszanie Ramana. Za pomocą mikrorezonatorów można również generować grzebienie częstotliwości.

Oprócz

Poniżej przedstawiono niektóre rzadziej używane źródła światła średniej podczerwieni. Ponieważ nie są one powszechnie stosowane, nie będą tutaj szczegółowo omawiane, np. lasery na swobodnych elektronach i lasery CO₂ o podwojonej częstotliwości.

W związku z powyższym poniżej znajduje się punkt odniesienia umożliwiający porównanie i wybór różnych typów laserów: