План выбора перестраиваемого лазера от ближнего до среднего инфракрасного диапазона

Целью этой статьи является обсуждение некоторых соображений и программных предложений при выборе источников света от ближнего до среднего инфракрасного диапазона. В этой статье в основном кратко представлены и сравниваются четыре основные категории оптических параметрических генераторов (OPO), оптических параметрических усилителей (OPA), квантовых каскадных лазеров и источников света суперконтинуума.

1.Различные определения спектрального диапазона.

Вообще говоря, когда люди говорят об источниках инфракрасного света, они имеют в виду свет с длиной волны в вакууме более ~700–800 нм (верхний предел видимого диапазона длин волн).

Нижний предел конкретной длины волны четко не определен в этом описании, поскольку восприятие инфракрасного излучения человеческим глазом медленно уменьшается, а не прекращается на обрыве.

Например, реакция света с длиной волны 700 нм на человеческий глаз уже очень низка, но если свет достаточно сильный, человеческий глаз может даже видеть свет, излучаемый некоторыми лазерными диодами с длинами волн, превышающими 750 нм, что также делает инфракрасное излучение лазеры представляют угрозу безопасности. --Даже если он не очень яркий для человеческого глаза, его фактическая мощность может быть очень высокой.

Аналогично, как и нижний предел диапазона источника инфракрасного света (700~800 нм), верхний предел диапазона определения источника инфракрасного света также является неопределенным. Вообще говоря, это около 1 мм.

Вот некоторые общие определения инфракрасного диапазона:

—— Ближняя инфракрасная область спектра (также называемая IR-A), диапазон ~750-1400 нм.
Лазеры, излучаемые в этом диапазоне длин волн, подвержены шумам и проблемам с безопасностью глаз человека, поскольку функция фокусировки человеческого глаза совместима с ближним инфракрасным и видимым диапазонами света, поэтому источник света ближнего инфракрасного диапазона может передаваться и фокусироваться на объекте. чувствительная сетчатка действует таким же образом, но свет ближнего инфракрасного диапазона не вызывает защитного мигательного рефлекса. В результате сетчатка человеческого глаза повреждается из-за чрезмерной энергии из-за нечувствительности. Поэтому при использовании источников света в этом диапазоне необходимо уделять все внимание защите глаз.

——Коротковолновый инфракрасный диапазон (SWIR, IR-B) в диапазоне 1,4-3 мкм.
Эта область относительно безопасна для глаз, поскольку свет поглощается глазом еще до того, как он достигнет сетчатки. Например, в этой области работают волоконные усилители, легированные эрбием, используемые в волоконно-оптической связи.
——Средневолновой инфракрасный диапазон (MWIR) составляет 3-8 мкм.
В некоторых частях региона атмосфера демонстрирует сильное поглощение; многие атмосферные газы имеют линии поглощения в этом диапазоне, например, углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O). Также потому, что многие газы демонстрируют сильное поглощение в этой полосе. Характеристики сильного поглощения делают эту спектральную область широко используемой для обнаружения газов в атмосфере.

——Диапазон длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR) составляет 8-15 мкм.
—— Далее идет дальний инфракрасный диапазон (FIR), который находится в диапазоне 15 мкм-1 мм (но есть также определения, начиная с 50 мкм, см. ISO 20473). Эта спектральная область в основном используется для тепловидения.
Целью этой статьи является обсуждение выбора широкополосных лазеров с перестраиваемой длиной волны с источниками света от ближнего инфракрасного до среднего инфракрасного диапазона, которые могут включать вышеупомянутые коротковолновые инфракрасные лучи (SWIR, IR-B, в диапазоне от 1,4-3 мкм). и часть средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR, диапазон составляет 3-8 мкм).

2. Типичное применение

Типичным применением источников света в этом диапазоне является идентификация спектров лазерного поглощения в малых количествах газов (например, дистанционное зондирование в медицинской диагностике и мониторинге окружающей среды). Здесь анализ использует сильные и характерные полосы поглощения многих молекул в средней инфракрасной области спектра, которые служат «молекулярными отпечатками пальцев». Хотя некоторые из этих молекул можно также изучать с помощью линий пан-поглощения в ближней инфракрасной области, поскольку лазерные источники ближнего инфракрасного диапазона легче приготовить, есть преимущества в использовании сильных линий фундаментального поглощения в средней инфракрасной области с более высокой чувствительностью. .

При визуализации в среднем инфракрасном диапазоне также используются источники света в этом диапазоне. Люди обычно пользуются тем фактом, что свет среднего инфракрасного диапазона может проникать глубже в материалы и меньше рассеиваться. Например, в соответствующих приложениях гиперспектральной визуализации диапазоны от ближнего до среднего инфракрасного диапазона могут предоставлять спектральную информацию для каждого пикселя (или вокселя).

Благодаря продолжающемуся развитию лазерных источников среднего инфракрасного диапазона, таких как волоконные лазеры, применение лазерной обработки неметаллических материалов становится все более практичным. Обычно люди пользуются сильным поглощением инфракрасного света некоторыми материалами, например полимерными пленками, для выборочного удаления материалов.

Типичным случаем является то, что прозрачные проводящие пленки оксида индия и олова (ITO), используемые для электродов в электронных и оптоэлектронных устройствах, необходимо структурировать путем селективной лазерной абляции. Другой пример — точное удаление покрытий с оптических волокон. Уровни мощности, необходимые в этом диапазоне для таких приложений, обычно намного ниже, чем те, которые необходимы для таких приложений, как лазерная резка.

Источники света в диапазоне от ближнего до среднего инфракрасного диапазона также используются военными для направленного инфракрасного противодействия ракетам с тепловым наведением. Помимо более высокой выходной мощности, подходящей для ослепления инфракрасных камер, также требуется широкий спектральный охват в полосе пропускания атмосферы (около 3-4 мкм и 8-13 мкм), чтобы предотвратить защиту инфракрасных детекторов простыми зубчатыми фильтрами.

Описанное выше окно пропускания в атмосфере также можно использовать для оптической связи в свободном пространстве посредством направленных лучей, и для этой цели во многих приложениях используются квантовые каскадные лазеры.

В некоторых случаях требуются ультракороткие импульсы среднего инфракрасного диапазона. Например, можно использовать гребенки средних инфракрасных частот в лазерной спектроскопии или использовать высокие пиковые интенсивности ультракоротких импульсов для лазерной генерации. Это можно сделать с помощью лазера с синхронизацией мод.

В частности, для источников света от ближнего до среднего инфракрасного диапазона в некоторых приложениях предъявляются особые требования к длинам волн сканирования или перестройке длины волны, и лазеры с перестраиваемой длиной волны от ближнего до среднего инфракрасного диапазона также играют чрезвычайно важную роль в этих приложениях.

Например, в спектроскопии перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона являются важными инструментами, будь то измерение газа, мониторинг окружающей среды или химический анализ. Ученые регулируют длину волны лазера, чтобы точно расположить его в среднем инфракрасном диапазоне, чтобы обнаружить определенные линии молекулярного поглощения. Таким образом они смогут получить подробную информацию о составе и свойствах материи, словно взломав кодовую книгу, полную тайн.

В области медицинской визуализации важную роль также играют перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона. Они широко используются в неинвазивных диагностических и визуализирующих технологиях. Благодаря точной настройке длины волны лазера, свет среднего инфракрасного диапазона может проникать в биологические ткани, что приводит к получению изображений с высоким разрешением. Это важно для выявления и диагностики заболеваний и отклонений, подобно волшебному свету, вглядывающемуся во внутренние тайны человеческого организма.

Область обороны и безопасности также неотделима от применения перестраиваемых лазеров среднего инфракрасного диапазона. Эти лазеры играют ключевую роль в инфракрасном противодействии, особенно против ракет с тепловым наведением. Например, система направленного инфракрасного противодействия (DIRCM) может защитить самолет от слежения и атаки ракет. Быстро регулируя длину волны лазера, эти системы могут вмешиваться в систему наведения приближающихся ракет и мгновенно переломить ход боя, подобно волшебному мечу, охраняющему небо.

Технология дистанционного зондирования является важным средством наблюдения и мониторинга Земли, в котором ключевую роль играют инфракрасные перестраиваемые лазеры. Такие области, как мониторинг окружающей среды, исследования атмосферы и наблюдение Земли, основаны на использовании этих лазеров. Перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона позволяют ученым измерять определенные линии поглощения газов в атмосфере, предоставляя ценные данные для исследования климата, мониторинга загрязнения и прогнозирования погоды, подобно волшебному зеркалу, которое может заглянуть в тайны природы.

В промышленных условиях перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона широко используются для точной обработки материалов. Настраивая лазеры на длины волн, которые сильно поглощаются определенными материалами, они позволяют осуществлять избирательную абляцию, резку или сварку. Это обеспечивает прецизионное производство в таких областях, как электроника, полупроводники и микрообработка. Перестраиваемый лазер среднего инфракрасного диапазона подобен тонко отполированному разделочному ножу, позволяющему вырезать изделия с тонкой резьбой и демонстрировать великолепие технологий.

3. Типы перестраиваемых лазерных продуктов от ближнего до среднего инфракрасного диапазона и характеристики выбора.

Многие технологии позволяют создавать лазеры ближнего и среднего инфракрасного диапазона, такие как различные типы лазеров на солях свинца на основе ранних тройных соединений свинца или четвертичных соединений, а также обычные объемные лазеры с легированными изоляторами, различные волоконные лазеры и газовые лазеры на углекислом газе. Подождите, здесь мы сосредоточимся на нескольких лазерных технологиях и продуктах, которые можно настроить в широком диапазоне длин волн — от ближнего инфракрасного до среднего инфракрасного диапазона.

①Оптические параметрические генераторы, усилители и генераторы (OPO и OPA)

В системе нелинейного преобразования частоты для генерации холостого света в средней инфракрасной области спектра можно использовать лазер ближнего инфракрасного диапазона, оптический параметрический генератор накачки (OPO), усилитель (OPA) или генератор (OPG), например:
В наносекундных OPO-лазерах среднего инфракрасного диапазона в качестве источников накачки могут использоваться лазеры с модуляцией добротности. Обычными кристаллическими материалами, используемыми для таких применений, являются фосфид цинка и германия (ZGP, ZnGeP2), сульфид и селенид серебра и галлия (AgGaS2, AgGaSe2), селенид галлия (GaSe) и селенид кадмия (CdSe).
Поскольку многие из этих материалов непрозрачны в диапазоне 1 мкм, часто необходимо использовать OPO последовательно: первый OPO преобразует лазерное излучение с длиной волны 1 мкм в более длинноволновое, которое затем используется для накачки фактического OPO среднего инфракрасного диапазона. Сигнал последнего и частота холостого хода могут находиться в средней инфракрасной области спектра.
Пикосекундный Nd:YVO4-лазер с длиной волны 1064 нм и синхронизацией мод также можно использовать для синхронной накачки кристаллов OPO и LiNbO3, позволяя выходному сигналу холостого света достигать 4 мкм или даже 4,5 мкм. Его ограничение длины волны в основном превосходит увеличение поглощения холостого света на длинных волнах. Поэтому ОПО, основанные на этом принципе, обычно имеют резонансный сигнал. Такое устройство могло бы легко генерировать импульсы с энергией в десятки миллиджоулей. Выходная длина волны настраивается в пределах сотен нанометров.

②CWOPO

По сравнению с импульсным возбуждением обычного OPO, последние продукты технологии CWOPO обеспечивают лазеры среднего инфракрасного диапазона, основанные на следующей схеме:

1) волоконные DFB лазеры и усилители;

2) управление волоконным лазером DFB;

3) оптическая часть и управление ОПО;
Этот тип продукта может обеспечивать плавную регулировку длины волны выходного сигнала в среднем инфракрасном диапазоне 1435-4138 нм (6969-2416 см-1). В то же время, по сравнению с импульсным OPO, этот тип продукта может обеспечить превосходную ширину линии. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Квантовый каскадный лазер

Квантовые каскадные лазеры являются относительно новым направлением развития в области полупроводниковых лазеров.

Разница между квантовыми каскадными лазерами и ранними полупроводниковыми лазерами среднего инфракрасного диапазона, основанными на межзонных переходах, заключается в том, что они работают на основе межподдиапазонных переходов.

Это позволяет квантово-каскадным лазерам проектировать детали структуры полупроводникового слоя так, чтобы энергию переходных фотонов (и, следовательно, длину волны) можно было изменять в широком диапазоне. Кроме того, некоторые важные диапазоны настройки длины волны (иногда превышающие 10% центральной длины волны) также могут быть охвачены с помощью устройств с внешним резонатором.

Хотя в настоящее время для достижения оптимальной производительности требуется криогенное охлаждение, многие квантово-каскадные лазеры по-прежнему могут работать при комнатной температуре, даже непрерывно. Квантовые каскадные лазеры также можно использовать для генерации импульсных лазеров с длительностью импульса даже значительно ниже 1 нс, хотя пиковая мощность довольно ограничена.

Что касается мощности, хотя его выходная мощность может достигать 1 Вт за счет оптимизации, выходная мощность этого типа лазера все же ниже, чем у обычных инфракрасных лазеров. Потому что в области квантово-каскадных лазеров, которые в основном используются в спектроскопии, квантово-каскадные лазеры ограничены переходами с меньшей энергией фононов.

Вот некоторые общие параметры и типы:
Лазерная трубка CW-DFB 800 см-1-2320 см-1
Импульсная DFB лазерная трубка 700 см-1-2350 см-1
Охлаждаемая лазерная трубка DFB 645 см-1-2370 см-1

OPO (оптический параметрический генератор) и квантовый каскад — две широко используемые технологии генерации лазеров среднего инфракрасного диапазона, и они имеют некоторые существенные различия в применении.

OPO (Optical Parametric Oscillator, оптический параметрический генератор):

OPO — это нелинейное оптическое устройство, которое использует параметрические процессы в нелинейных оптических кристаллах или оптических волокнах для генерации новых длин волн, включая средний инфракрасный диапазон. OPO возбуждает параметрические колебания через источник света накачки, где нелинейные материалы в генераторе разделяют свет накачки на сигнальный свет и вспомогательный свет. Длина волны сигнального света настраивается в среднем инфракрасном диапазоне, а вспомогательный свет действует как обратная связь с источником света накачки. OPO имеет высокую эффективность преобразования и широкий диапазон настройки частоты, поэтому он широко используется в исследованиях и приложениях лазеров среднего инфракрасного диапазона.

Отличие от применения: OPO подходит для приложений, требующих перестройки частоты. Регулируя частоту света накачки или условия фазового синхронизма нелинейного кристалла, можно добиться плавной настройки мощности лазера в среднем инфракрасном диапазоне. OPO может использоваться в спектральном анализе, обнаружении газа, биомедицинской визуализации и других областях и особенно подходит для приложений, требующих высокочувствительного анализа или микроскопической визуализации в среднем инфракрасном диапазоне.

Квантовый каскад:

Квантовый каскадный лазер — это лазер на основе полупроводниковой сверхрешеточной структуры, который генерирует лазерный свет среднего инфракрасного диапазона посредством квантового каскадного процесса. В квантовом каскадном лазере электроны выделяют энергию посредством поэтапного процесса перехода между несколькими энергетическими диапазонами, создавая непрерывно настраиваемое излучение среднего инфракрасного диапазона.

Отличия в применении: Квантовые каскадные лазеры имеют более высокую мощность и меньшую ширину спектральной линии и подходят для спектральных измерений с высоким разрешением, лидаров, инфракрасных изображений и других областей. Квантовые каскадные лазеры также могут работать в высокотемпературных средах, поэтому они подходят для применений, требующих использования лазеров среднего инфракрасного диапазона в суровых условиях, таких как промышленный контроль, мониторинг окружающей среды и т. д.

Подводя итог, можно сказать, что OPO в основном используется для приложений с высокой перестройкой частоты, тогда как квантово-каскадные лазеры больше подходят для высокой мощности, узкой ширины линии и высокой температуры.

Конкретное сравнение различий значений параметров зависит от модели продукта и производителя. Ниже приведены примеры некоторых распространенных сравнений параметров:

——Настройка частоты:

OPO: может быть достигнута плавно настраиваемая выходная мощность лазера среднего инфракрасного диапазона с диапазоном частот обычно от сотен мегагерц до нескольких гигагерц или шире.

Квантовый каскад: диапазон настройки частоты относительно узок, обычно от десятков до сотен мегагерц или уже.

——Выходная мощность и эффективность:

OPO: Выходная мощность обычно находится в диапазоне от нескольких сотен милливатт до нескольких ватт, а эффективность преобразования может достигать более 10%.

Квантовый каскад: выходная мощность обычно находится в диапазоне от десятков до сотен милливатт, а эффективность преобразования может достигать более 20%.

——Спектральная ширина линии:

OPO: Ширина спектральной линии узкая, обычно в диапазоне от нескольких гигагерц до десятков мегагерц.

Квантовый каскад: ширина спектральной линии относительно широка, обычно в диапазоне от десятков гигагерц до сотен мегагерц.

--Рабочая Температура:

OPO: Обычно он должен работать при более стабильной комнатной температуре или близкой к комнатной температуре.

Квантовый каскад: может работать при более высоких рабочих температурах, обычно выше комнатной, вплоть до десятков градусов Цельсия.

Следует отметить, что эти значения предназначены только для общего сведения и не отражают конкретные параметры всех коммерческих продуктов. Фактические параметры зависят от модели продукта, технологических достижений, а также требований производителя к конструкции и производительности. При выборе конкретного коммерческого продукта лучше всего обратиться к спецификации продукта и технической документации, предоставленной производителем, для получения точной информации о параметрах.

④Источник света суперконтинуума

Существуют некоторые источники света, основанные на генерации суперконтинуума, которые охватывают большую часть среднего инфракрасного диапазона. Такой источник света мог бы работать на основе определенных оптических волокон среднего инфракрасного диапазона, по которым передаются интенсивные световые импульсы для создания сильных нелинейных взаимодействий.

Если требуется настраиваемый свет с узкой шириной линии, можно использовать настраиваемые фильтры для извлечения желаемых спектральных компонентов из света широкого спектра. В некоторых случаях используется весь спектр. Одним из примеров является оптическая когерентная томография (ОКТ). Этот процесс часто выполняется в более коротких диапазонах длин волн. Однако преимущество среднего инфракрасного света в этом применении заключается в том, что средний инфракрасный свет рассеивается меньше. По сравнению с более короткими диапазонами длин волн он обладает способностью проникать глубже.

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), он имеет более широкую полосу пропускания, более высокую пространственную когерентность, направленность и яркость, чем традиционные лазеры.

⑤Источник микро-среднего инфракрасного света

В настоящее время предпринимается множество попыток разработать фотонные интегральные схемы для приложений среднего инфракрасного диапазона, например, на основе платформ кремниевой фотоники. К сожалению, реализовать источник среднего инфракрасного света на чипе непросто, что привело к исследованию множества возможных методов. Одним из примеров является интеграция источников света в другие полупроводники, и хотя это представляет технические трудности, есть также примеры, связанные с технологией соединения перевернутых кристаллов. Другая возможность — интегрировать излучатели черного тела (→ тепловое излучение) или люминесцентные материалы, хотя это не приводит к пространственно-когерентному излучению.

Существуют и другие методы, основанные на нелинейном преобразовании частоты, использующие нелинейность Керра для четырехволнового смешения или вынужденного комбинационного рассеяния света. А с помощью микрорезонаторов можно также генерировать гребенки частот.

кроме

Ниже приведены некоторые источники света среднего инфракрасного диапазона, которые используются реже. Поскольку они не получили широкого распространения, здесь не будут обсуждаться слишком подробно, например, лазеры на свободных электронах и CO₂-лазеры с удвоенной частотой.

На основании вышеизложенного ниже приведены ссылки для сравнения и выбора различных типов лазеров: