Настроюваний план вибору лазера від близького до середнього інфрачервоного діапазону

Метою цієї статті є обговорення деяких міркувань і програмних пропозицій під час вибору джерел світла від близького до середнього інфрачервоного. Ця стаття в основному коротко представляє та порівнює чотири основні категорії оптичних параметричних осциляторів (OPO), оптичних параметричних підсилювачів (OPA), квантових каскадних лазерів і суперконтинуальних джерел світла.

1. Різні визначення спектрального діапазону

Загалом кажучи, коли люди говорять про джерела інфрачервоного світла, вони мають на увазі світло з вакуумною довжиною хвилі понад ~700–800 нм (верхня межа видимого діапазону довжин хвиль).

Конкретна нижня межа довжини хвилі чітко не визначена в цьому описі, оскільки сприйняття інфрачервоного випромінювання людським оком повільно зменшується, а не обривається на скелі.

Наприклад, реакція людського ока на світло з довжиною хвилі 700 нм вже дуже низька, але якщо світло досить сильне, людське око може навіть бачити світло, випромінюване деякими лазерними діодами з довжиною хвилі понад 750 нм, що також робить інфрачервоне лазери становлять ризик для безпеки. --Навіть якщо він не дуже яскравий для людського ока, його фактична потужність може бути дуже високою.

Подібним чином, як і діапазон нижньої межі джерела інфрачервоного світла (700~800 нм), діапазон визначення верхньої межі джерела інфрачервоного світла також є невизначеним. Загалом, це приблизно 1 мм.

Ось деякі загальні визначення інфрачервоного діапазону:

——Близька інфрачервона область спектру (також називається ІЧ-А), діапазон ~750-1400 нм.
Лазери, випромінювані в цій області довжин хвиль, схильні до шуму та проблем із безпекою людського ока, оскільки функція фокусування людського ока сумісна з ближнім інфрачервоним і видимим діапазонами світла, тому джерело світла ближнього інфрачервоного діапазону може передаватися та фокусуватися на чутлива сітківка так само, але світло ближнього інфрачервоного діапазону не викликає захисний рефлекс моргання. У результаті сітківка людського ока пошкоджується надмірною енергією через нечутливість. Тому при використанні джерел світла в цьому діапазоні необхідно приділяти повну увагу захисту очей.

——Короткохвильовий інфрачервоний (SWIR, IR-B) діапазон від 1.4-3 мкм.
Ця зона є відносно безпечною для очей, оскільки це світло поглинається оком, перш ніж досягне сітківки. Наприклад, у цьому регіоні працюють леговані ербієм волоконні підсилювачі, які використовуються у волоконно-оптичному зв’язку.
——Середньохвильовий інфрачервоний (MWIR) діапазон становить 3-8 мкм.
Атмосфера демонструє сильне поглинання в деяких частинах регіону; багато атмосферних газів матимуть лінії поглинання в цій смузі, такі як вуглекислий газ (CO2) і водяна пара (H2O). Крім того, оскільки багато газів демонструють сильне поглинання в цій смузі. Сильні характеристики поглинання роблять цю спектральну область широко використовуваною для виявлення газу в атмосфері.

——Довгохвильовий інфрачервоний діапазон (LWIR) становить 8-15 мкм.
——Далі йде далекий інфрачервоний діапазон (FIR), який коливається від 15 мкм-1 мм (але є також визначення, починаючи з 50 мкм, див. ISO 20473). Ця спектральна область в основному використовується для тепловізорів.
Ця стаття має на меті обговорити вибір широкосмугових лазерів із регульованою довжиною хвилі з джерелами світла від ближнього до середнього інфрачервоного діапазону, які можуть включати вищевказане короткохвильове інфрачервоне випромінювання (SWIR, IR-B, в діапазоні від 1.4-3 мкм). і частина середньохвильового інфрачервоного діапазону (MWIR, діапазон становить 3-8 мкм).

2.Типове застосування

Типовим застосуванням джерел світла в цьому діапазоні є ідентифікація спектрів лазерного поглинання в слідах газів (наприклад, дистанційне зондування в медичній діагностиці та моніторингу навколишнього середовища). Тут аналіз використовує сильні та характерні смуги поглинання багатьох молекул у середній інфрачервоній області спектру, які служать «молекулярними відбитками». Хоча можна також досліджувати деякі з цих молекул за допомогою ліній пан-поглинання в ближньому інфрачервоному діапазоні, оскільки лазерні джерела ближнього інфрачервоного діапазону легше підготувати, є переваги використання потужних фундаментальних ліній поглинання в середньому інфрачервоному діапазоні з більшою чутливістю. .

У середньому інфрачервоному зображенні також використовуються джерела світла в цьому діапазоні. Люди зазвичай користуються тим фактом, що світло середнього інфрачервоного діапазону може глибше проникати в матеріали та має менше розсіювання. Наприклад, у відповідних додатках для отримання гіперспектральних зображень діапазон від ближнього до середнього інфрачервоного може надати спектральну інформацію для кожного пікселя (або вокселя).

Завдяки постійному розвитку лазерних джерел середнього інфрачервоного діапазону, таких як волоконний лазер, застосування лазерної обробки неметалевих матеріалів стає все більш практичним. Як правило, люди користуються сильним поглинанням інфрачервоного світла певними матеріалами, такими як полімерні плівки, для вибіркового видалення матеріалів.

Типовий випадок полягає в тому, що прозорі провідні плівки з оксиду індію і олова (ITO), які використовуються для електродів в електронних та оптоелектронних пристроях, потребують структурування за допомогою селективної лазерної абляції. Іншим прикладом є точне зняття покриття з оптичних волокон. Рівні потужності, необхідні в цьому діапазоні для таких додатків, як правило, набагато нижчі, ніж необхідні для таких додатків, як лазерне різання.

Джерела світла від близького до середнього інфрачервоного діапазону також використовуються військовими для направленої інфрачервоної протидії ракетам із тепловим наведенням. На додаток до вищої вихідної потужності, придатної для засліплення інфрачервоних камер, також потрібне широке спектральне покриття в атмосферному діапазоні пропускання (близько 3-4 мкм і 8-13 мкм), щоб запобігти захисту простих зубчастих фільтрів від інфрачервоних детекторів.

Атмосферне вікно пропускання, описане вище, також можна використовувати для оптичного зв’язку у вільному просторі за допомогою спрямованих променів, і для цієї мети в багатьох додатках використовуються квантові каскадні лазери.

У деяких випадках потрібні ультракороткі імпульси середнього інфрачервоного діапазону. Наприклад, можна використовувати гребінки середньої інфрачервоної частоти в лазерній спектроскопії або використовувати високі пікові інтенсивності ультракоротких імпульсів для генерації. Це може бути згенеровано за допомогою лазера з синхронізованим режимом.

Зокрема, для джерел світла від ближнього інфрачервоного до середнього інфрачервоного діапазону деякі програми мають особливі вимоги до сканування довжин хвиль або можливості налаштування довжини хвилі, і регульовані лазери від ближнього інфрачервоного до середнього інфрачервоного діапазону також відіграють надзвичайно важливу роль у цих застосуваннях.

Наприклад, у спектроскопії регульовані лазери середнього інфрачервоного діапазону є важливими інструментами, чи то для зондування газу, моніторингу навколишнього середовища чи хімічного аналізу. Вчені регулюють довжину хвилі лазера, щоб точно розташувати його в середньому інфрачервоному діапазоні для виявлення специфічних молекулярних ліній поглинання. Таким чином вони можуть отримати детальну інформацію про склад і властивості матерії, як зламати кодову книгу, повну таємниць.

У сфері медичної візуалізації лазери середнього інфрачервоного діапазону також відіграють важливу роль. Вони широко використовуються в неінвазивних технологіях діагностики та візуалізації. Завдяки точному налаштуванню довжини хвилі лазера середнє інфрачервоне світло може проникати в біологічні тканини, створюючи зображення з високою роздільною здатністю. Це важливо для виявлення та діагностики захворювань і відхилень, як магічне світло, що зазирає у внутрішні таємниці людського тіла.

Сфера оборони та безпеки також невіддільна від застосування регульованих лазерів середнього інфрачервоного діапазону. Ці лазери відіграють ключову роль в інфрачервоних засобах протидії, особливо проти ракет з тепловим наведенням. Наприклад, Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) може захистити літаки від відстеження та атак ракет. Швидко регулюючи довжину хвилі лазера, ці системи можуть втручатися в систему наведення ракет, що наближаються, і миттєво змінити хід битви, як чарівний меч, що охороняє небо.

Технологія дистанційного зондування є важливим засобом спостереження та моніторингу Землі, в якому інфрачервоні регульовані лазери відіграють ключову роль. Ці лазери використовуються в таких галузях, як моніторинг навколишнього середовища, дослідження атмосфери та спостереження Землі. Настроювані лазери середнього інфрачервоного діапазону дозволяють вченим вимірювати конкретні лінії поглинання газів в атмосфері, надаючи цінні дані, щоб допомогти кліматичним дослідженням, моніторингу забруднення та прогнозу погоди, як чарівне дзеркало, яке може побачити таємниці природи.

У промислових умовах регульовані лазери середнього інфрачервоного діапазону широко використовуються для точної обробки матеріалів. Налаштувавши лазери на довжини хвиль, які сильно поглинаються певними матеріалами, вони забезпечують вибіркову абляцію, різання або зварювання. Це забезпечує точне виробництво в таких сферах, як електроніка, напівпровідники та мікрообробка. Настроюваний лазер середнього інфрачервоного діапазону схожий на тонко відполірований ніж для різьблення, що дозволяє промисловості вирізати вироби з тонким різьбленням і демонструвати блиск технологій.

3. Типи регульованих лазерних продуктів від ближнього до середнього інфрачервоного діапазону та характеристики вибору

Багато технологій можуть створювати лазери від ближнього інфрачервоного до середнього інфрачервоного діапазону, наприклад, різні типи лазерів на основі солей свинцю на основі ранніх потрійних або четвертинних сполук свинцю, а також звичайні об’ємні лазери на легованих ізоляторах, різні волоконні лазери та лазери на вуглекислому газі. Зачекайте, тут ми зосереджуємося на кількох лазерних технологіях і продуктах, які можна налаштувати в широкому діапазоні довжин хвиль від ближнього інфрачервоного до середнього інфрачервоного.

①Оптичні параметричні генератори, підсилювачі та генератори (OPO та OPA)

У нелінійній системі перетворення частоти лазер ближнього інфрачервоного діапазону, параметричний генератор оптичного випромінювання (OPO), підсилювач (OPA) або генератор (OPG) можна використовувати для генерації холостого світла в середній інфрачервоній області спектру, наприклад:
У наносекундних лазерах середнього інфрачервоного діапазону OPO лазери з модуляцією добротності можуть використовуватися як джерела накачування. Звичайними кристалічними матеріалами, які використовуються для таких застосувань, є фосфід германію цинку (ZGP, ZnGeP2), сульфід і селенід галію срібла (AgGaS2, AgGaSe2), селенід галію (GaSe) і селенід кадмію (CdSe).
Оскільки багато з цих матеріалів є непрозорими в області 1 мкм, часто необхідно використовувати OPO послідовно: перший OPO перетворює лазерне випромінювання 1 мкм на більш довжину хвилі, яка потім використовується для накачування фактичного OPO середнього інфрачервоного діапазону. Сигнал останнього та частота очікування можуть знаходитись у середній інфрачервоній області спектру.
Пікосекундний Nd:YVO4-лазер із синхронізованим режимом 1064 нм також можна використовувати для синхронного накачування кристалів OPO та LiNbO3, що дозволяє досягати холостого світлового випромінювання 4 мкм або навіть 4,5 мкм. Його обмеження довжини хвилі в основному перевершує збільшення поглинання холостого світла на довгих хвилях. Тому ОПО, засновані на цьому принципі, зазвичай мають резонансний сигнал. Такий пристрій міг би легко генерувати імпульси з енергією в десятки міліджоулів. Вихідна довжина хвилі регулюється на сотні нанометрів.

②CWOPO

У порівнянні з імпульсним збудженням загального OPO, новітні продукти CWOPO забезпечують лазери середнього інфрачервоного діапазону на основі такої структури:

1) волоконні лазери та підсилювачі DFB;

2) управління волоконним лазером DFB;

3) ОПО оптичної частини та управління;
Цей тип продукту може забезпечити безперервне регулювання довжини хвилі випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні 1435-4138 нм (6969-2416 см-1). У той же час, порівняно з імпульсним OPO, цей тип продукту може забезпечити чудову ширину лінії. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Квантовий каскадний лазер

Квантово-каскадні лазери є відносно новим напрямком розвитку в області напівпровідникових лазерів.

Різниця між квантовими каскадними лазерами та ранніми напівпровідниковими лазерами середнього інфрачервоного діапазону на основі міжзонних переходів полягає в тому, що вони працюють на основі міжпідзонних переходів.

Це дає змогу квантовим каскадним лазерам розробляти деталі структури напівпровідникового шару, щоб енергію фотона переходу (і, отже, довжину хвилі) можна було змінювати в широкому діапазоні. Крім того, деякі важливі діапазони налаштування довжини хвилі (іноді перевищують 10% центральної довжини хвилі) також можуть бути охоплені за допомогою пристроїв із зовнішнім резонатором.

Хоча для досягнення оптимальної продуктивності в даний час потрібне кріогенне охолодження, багато квантових каскадних лазерів все ще можуть працювати при кімнатній температурі, навіть безперервно. Квантові каскадні лазери також можна використовувати для створення імпульсних лазерів з часом імпульсу навіть значно менше 1 нс, хоча пікова потужність досить обмежена.

Що стосується потужності, хоча його вихідна потужність може досягати 1 Вт завдяки оптимізації, вихідна потужність цього типу лазера все ще нижча, ніж у звичайних інфрачервоних лазерів. Оскільки в області квантових каскадних лазерів, які в основному використовуються в спектроскопії, квантові каскадні лазери обмежені переходами з меншою фононною енергією.

Ось деякі загальні параметри та типи:
Лазерна трубка CW-DFB 800 см-1-2320 см-1
Імпульсна лазерна трубка DFB 700 см-1-2350 см-1
Охолоджена лазерна трубка DFB 645 см-1-2370 см-1

OPO (оптичний параметричний осцилятор) і квантовий каскад є двома широко використовуваними технологіями в лазерній генерації середнього інфрачервоного діапазону, і вони мають деякі значні відмінності в застосуванні.

OPO (Optical Parametric Oscillator, оптичний параметричний генератор):

OPO — це нелінійний оптичний пристрій, який використовує параметричні процеси в нелінійних оптичних кристалах або оптичних волокнах для генерування нових довжин хвиль, включаючи середній інфрачервоний діапазон. OPO збуджує параметричні коливання через джерело світла накачування, де нелінійні матеріали в осциляторі поділяють світло накачування на сигнальне світло та допоміжне світло. Довжину хвилі сигнального світла можна налаштувати в середньому інфрачервоному діапазоні, тоді як допоміжне світло діє як зворотний зв’язок із джерелом світла насоса. OPO має високу ефективність перетворення та широкий діапазон налаштування частоти, тому він широко використовується в дослідженнях і застосуваннях лазерів середнього інфрачервоного діапазону.

Різниця в застосуванні: OPO підходить для додатків, які вимагають настроювання частоти. Шляхом регулювання частоти світла накачки або умов узгодження фази нелінійного кристала можна досягти безперервно регульованого виходу лазера в середньому інфрачервоному діапазоні. OPO можна використовувати для спектрального аналізу, виявлення газу, біомедичної візуалізації та інших галузях і особливо підходить для застосувань, які вимагають високочутливого аналізу або мікроскопічного зображення в середньому інфрачервоному діапазоні.

Квантовий каскад:

Квантовий каскадний лазер — це лазер на основі напівпровідникової надґраткової структури, який генерує лазерне світло середнього інфрачервоного діапазону за допомогою квантового каскадного процесу. У квантовому каскадному лазері електрони вивільняють енергію через покроковий процес переходу між кількома смугами енергії, виробляючи безперервно регульоване середньоінфрачервоне випромінювання.

Відмінності у застосуванні: квантові каскадні лазери мають вищу потужність і вужчу спектральну ширину лінії, і підходять для спектральних вимірювань високої роздільної здатності, лідарів, інфрачервоних зображень та інших полів. Квантові каскадні лазери також можуть працювати у високотемпературному середовищі, тому вони підходять для застосувань, які вимагають використання лазерів середнього інфрачервоного діапазону в суворих умовах, таких як промисловий контроль, моніторинг навколишнього середовища тощо.

Підводячи підсумок, OPO в основному використовується для додатків із можливістю налаштування високої частоти, тоді як квантові каскадні лазери більше підходять для високої потужності, вузької ширини лінії та високої температури.

Конкретне порівняння відмінностей значень параметрів залежить від моделі продукту та виробника. Нижче наведено приклади деяких типових порівнянь параметрів:

——Налаштування частоти:

OPO: може бути досягнуто безперервно регульоване випромінювання середнього інфрачервоного лазера з частотним діапазоном, як правило, від сотень мегагерц до кількох гігагерц або ширше.

Квантовий каскад: Діапазон налаштування частоти відносно вузький, зазвичай від десятків до сотень мегагерц або вужчий.

——Вихідна потужність і ефективність:

OPO: вихідна потужність зазвичай знаходиться в діапазоні від кількох сотень міліват до кількох ват, а ефективність перетворення може досягати понад 10%.

Квантовий каскад: вихідна потужність зазвичай знаходиться в діапазоні від десятків до сотень міліват, а ефективність перетворення може досягати більше 20%.

——Спектральна ширина лінії:

OPO: Ширина спектральної лінії вузька, зазвичай у діапазоні від кількох гігагерц до десятків мегагерц.

Квантовий каскад: спектральна ширина лінії відносно широка, зазвичай у діапазоні від десятків гігагерц до сотень мегагерц.

--Робоча температура:

OPO: Зазвичай він повинен працювати при більш стабільній кімнатній температурі або близькій до кімнатної.

Квантовий каскад: може працювати при більш високих робочих температурах, зазвичай вище кімнатної, навіть до десятків градусів Цельсія.

Слід зазначити, що ці значення наведено лише для загальної довідки і не представляють конкретні параметри всіх комерційних продуктів. Фактичні параметри залежать від моделі продукту, технологічних досягнень і вимог виробника до конструкції та продуктивності. При виборі конкретного комерційного продукту найкраще звернутися до технічних характеристик продукту та технічної документації, наданої виробником, щоб отримати точну інформацію про параметри.

④Джерело світла суперконтинууму

Існують деякі джерела світла, засновані на генерації суперконтинууму, які охоплюють значну частину середнього інфрачервоного діапазону. Таке джерело світла могло б працювати на основі певних оптичних волокон середнього інфрачервоного діапазону, через які надсилаються інтенсивні світлові імпульси для створення сильної нелінійної взаємодії.

Якщо потрібне регульоване світло з вузькою шириною лінії, регульовані фільтри можна використовувати для виділення бажаних спектральних компонентів зі світла широкого спектру. У деяких випадках використовується весь спектр. Одним із прикладів є оптична когерентна томографія (ОКТ). Цей процес часто виконується на коротших діапазонах хвиль. Однак перевага середнього інфрачервоного світла в цій програмі полягає в тому, що середнє інфрачервоне світло менше розсіюється. У порівнянні з коротшими смугами хвиль, він має здатність проникати глибше.

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 мВт/нм), він має ширшу смугу пропускання, вищу просторову когерентність, спрямованість і яскравість, ніж традиційні лазери.

⑤Мікро джерело середнього інфрачервоного світла

В даний час існує багато спроб розробити фотонні інтегральні схеми для додатків середнього інфрачервоного діапазону, наприклад, на основі кремнієвих фотонних платформ. На жаль, нелегко реалізувати джерело середнього інфрачервоного світла на мікросхемі, що призвело до дослідження багатьох можливих методів. Одним із прикладів є інтеграція джерел світла в інші напівпровідники, і хоча це створює технічні труднощі, є також приклади, що включають технологію з’єднання фліп-чіп. Іншою можливістю є інтеграція випромінювачів чорного тіла (→ теплове випромінювання) або люмінесцентних матеріалів, хоча це не призводить до просторово когерентного випромінювання.

Існують інші методи, засновані на нелінійному перетворенні частоти, які використовують нелінійність Керра для чотирихвильового змішування або вимушеного комбінаційного розсіювання. А за допомогою мікрорезонаторів також можна генерувати частотні гребінки.

крім того

Нижче наведено деякі джерела середнього інфрачервоного світла, які використовуються рідше. Оскільки вони не мають широкого використання, вони не будуть обговорюватися тут надто докладно, як-от лазери на вільних електронах і CO₂-лазери з подвоєною частотою.

Виходячи з вищесказаного, нижче наведено посилання для порівняння та вибору різних типів лазерів: