Блиски инфрацрвени до средње инфрацрвени подесиви ласерски план избора

Овај чланак има за циљ да размотри нека разматрања и предлоге програма приликом одабира извора светлости од блиског до средњег инфрацрвеног зрачења. Овај чланак углавном укратко представља и упоређује четири главне категорије оптичких параметарских осцилатора (ОПО), оптичких параметарских појачавача (ОПА), квантно каскадних ласера ​​и суперконтинуалних извора светлости.

1.Различите дефиниције спектралног опсега

Уопштено говорећи, када људи говоре о инфрацрвеним изворима светлости, они мисле на светлост са таласним дужинама вакуума већим од ~700–800 нм (горња граница опсега видљивих таласних дужина).

Доња граница специфичне таласне дужине није јасно дефинисана у овом опису јер се перцепција инфрацрвеног зрачења људског ока полако смањује, а не сече на литици.

На пример, одзив светлости на 700 нм на људско око је већ веома низак, али ако је светлост довољно јака, људско око може чак и да види светлост коју емитују неке ласерске диоде са таласним дужинама већим од 750 нм, што такође чини инфрацрвену ласери представљају безбедносни ризик. --Чак и ако људском оку није много светла, његова стварна снага може бити веома велика.

Слично, као доњи гранични опсег инфрацрвеног извора светлости (700~800 нм), горња граница дефиниције извора инфрацрвене светлости је такође неизвесна. Уопштено говорећи, то је око 1 мм.

Ево неких уобичајених дефиниција инфрацрвеног опсега:

——Блиски инфрацрвени спектар (такође назван ИР-А), опсег ~750-1400 нм.
Ласери који се емитују у овом региону таласне дужине су склони буци и проблемима безбедности људског ока, јер је функција фокусирања људског ока компатибилна са опсегом блиске инфрацрвене и видљиве светлости, тако да извор светлости блиског инфрацрвеног опсега може да се преноси и фокусира на осетљива ретина на исти начин, али светло у блиском инфрацрвеном опсегу Не покреће заштитни рефлекс трептања. Као резултат тога, ретина људског ока је оштећена прекомерном енергијом због неосетљивости. Због тога, када користите изворе светлости у овом опсегу, пуна пажња се мора посветити заштити очију.

——Инфрацрвени опсег кратких таласних дужина (СВИР, ИР-Б) од 14-3 μм.
Ово подручје је релативно безбедно за очи јер ову светлост апсорбује око пре него што стигне до мрежњаче. На пример, у овом региону раде појачивачи влакана допираних ербијумом који се користе у оптичким комуникацијама.
——Средњоталасни инфрацрвени (МВИР) опсег је 3-8 μм.
Атмосфера показује јаку апсорпцију у деловима региона; многи атмосферски гасови ће имати апсорпционе линије у овом појасу, као што су угљен-диоксид (ЦО2) и водена пара (Х2О). Такође зато што многи гасови показују снажну апсорпцију у овом опсегу Снажне карактеристике апсорпције чине да се овај спектрални регион широко користи за детекцију гасова у атмосфери.

——Дуготаласни инфрацрвени (ЛВИР) опсег је 8-15 μм.
——Следећи је далеко инфрацрвени (ФИР), који се креће од 15 μм-1 мм (али постоје и дефиниције које почињу од 50 μм, видети ИСО 20473). Овај спектрални регион се првенствено користи за термичко снимање.
Овај чланак има за циљ да дискутује о избору широкопојасних подесивих ласера ​​таласне дужине са блиско инфрацрвеним до средњим инфрацрвеним изворима светлости, који могу укључивати горње инфрацрвене краткоталасне дужине (СВИР, ИР-Б, у распону од 1.4-3 μм) и део средњеталасног инфрацрвеног (МВИР, опсег је 3-8 μм).

2.Типицал Апплицатион

Типична примена извора светлости у овом опсегу је идентификација спектра ласерске апсорпције у гасовима у траговима (нпр. даљинско испитивање у медицинској дијагнози и мониторингу животне средине). Овде анализа користи предности јаких и карактеристичних апсорпционих трака многих молекула у средњем инфрацрвеном спектралном региону, који служе као "молекуларни отисци прстију". Иако се неки од ових молекула могу проучавати и кроз пан-апсорпционе линије у блиском инфрацрвеном региону, пошто су ласерски извори близу инфрацрвеног зрачења лакши за припрему, постоје предности коришћења јаких основних апсорпционих линија у средњем инфрацрвеном региону са већом осетљивошћу .

У средњем инфрацрвеном снимању такође се користе извори светлости у овом опсегу. Људи обично користе чињеницу да средња инфрацрвена светлост може продрети дубље у материјале и да има мање расипање. На пример, у одговарајућим апликацијама за хиперспектралну слику, блиско инфрацрвено до средње инфрацрвено може да пружи спектралне информације за сваки пиксел (или воксел).

Због континуираног развоја ласерских извора средњег инфрацрвеног спектра, као што су ласери са влакнима, апликације за обраду неметалних ласерских материјала постају све практичније. Обично људи користе предност снажне апсорпције инфрацрвене светлости од стране одређених материјала, као што су полимерни филмови, да би селективно уклонили материјале.

Типичан случај је да провидни проводни филмови од индијум-калај оксида (ИТО) који се користе за електроде у електронским и оптоелектронским уређајима морају бити структурирани селективном ласерском аблацијом. Други пример је прецизно скидање премаза на оптичким влакнима. Нивои снаге потребни у овом опсегу за такве примене су обично много нижи од оних потребних за апликације као што је ласерско сечење.

Блиско инфрацрвене до средње инфрацрвене изворе светлости војска такође користи за усмерене инфрацрвене противмере против ракета које траже топлоту. Поред веће излазне снаге погодне за заслепљујуће инфрацрвене камере, потребна је и широка спектрална покривеност у опсегу атмосферског преноса (око 3-4 μм и 8-13 μм) како би се спречило да једноставни филтери са зарезима заштите инфрацрвене детекторе.

Прозор за атмосферски пренос који је горе описан може се користити и за оптичке комуникације у слободном простору преко усмерених зрака, а квантни каскадни ласери се користе у многим апликацијама за ову сврху.

У неким случајевима су потребни средњи инфрацрвени ултракратки импулси. На пример, могло би се користити чешљеве средње инфрацрвене фреквенције у ласерској спектроскопији, или искористити високе вршне интензитете ултракратких импулса за ласер. Ово се може генерисати ласером са закључавањем мода.

Конкретно, за блиско инфрацрвене до средње инфрацрвене изворе светлости, неке апликације имају посебне захтеве за скенирање таласних дужина или подесивост таласне дужине, а ласери са подесивим таласним дужинама близу инфрацрвеног до средњег инфрацрвеног такође играју изузетно важну улогу у овим апликацијама.

На пример, у спектроскопији, средње инфрацрвени подесиви ласери су суштински алати, било да се ради о детектовању гаса, праћењу животне средине или хемијској анализи. Научници прилагођавају таласну дужину ласера ​​како би га прецизно позиционирали у средњем инфрацрвеном опсегу како би открили специфичне молекуларне апсорпционе линије. На овај начин могу да добију детаљне информације о саставу и својствима материје, као што је разбијање шифрарника пуне тајни.

У области медицинског снимања, средње инфрацрвени подесиви ласери такође играју важну улогу. Они се широко користе у неинвазивним дијагностичким и сликовним технологијама. Прецизним подешавањем таласне дужине ласера, средња инфрацрвена светлост може да продре у биолошко ткиво, што резултира сликама високе резолуције. Ово је важно за откривање и дијагностиковање болести и абнормалности, попут магичне светлости која завирује у унутрашње тајне људског тела.

Област одбране и безбедности је такође неодвојива од примене средње инфрацрвених подесивих ласера. Ови ласери играју кључну улогу у инфрацрвеним противмерама, посебно против ракета које траже топлоту. На пример, систем усмерених инфрацрвених противмера (ДИРЦМ) може заштитити авионе од праћења и напада пројектилима. Брзим подешавањем таласне дужине ласера, ови системи могу да ометају систем навођења надолазећих пројектила и тренутно преокрену ток битке, попут магичног мача који чува небо.

Технологија даљинске детекције је важно средство за посматрање и праћење Земље, у којој инфрацрвени подесиви ласери играју кључну улогу. Поља као што су праћење животне средине, истраживање атмосфере и посматрање Земље ослањају се на употребу ових ласера. Средњи инфрацрвени подесиви ласери омогућавају научницима да мере специфичне апсорпционе линије гасова у атмосфери, обезбеђујући драгоцене податке који помажу у истраживању климе, праћењу загађења и прогнози времена, попут магичног огледала које може да види мистерије природе.

У индустријским окружењима, средње инфрацрвени подесиви ласери се широко користе за прецизну обраду материјала. Подешавањем ласера ​​на таласне дужине које одређени материјали снажно апсорбују, они омогућавају селективну аблацију, сечење или заваривање. Ово омогућава прецизну производњу у областима као што су електроника, полупроводници и микромашинска обрада. Средњи инфрацрвени подесиви ласер је попут фино полираног ножа за резбарење, омогућавајући индустрији да изрезује фино изрезбарене производе и покаже бриљантност технологије.

3. Блиски инфрацрвени до средње инфрацрвени подесиви ласерски типови производа и карактеристике избора

Многе технологије могу да произведу ласере близу инфрацрвеног до средњег инфрацрвеног спектра, као што су различити типови ласера ​​са соли олова на бази раних тернарних једињења олова или кватернарних једињења, као и уобичајени ласери са допираним изолаторима, различити ласери са влакнима и ласери на гас угљен-диоксида. Чекајте, овде се фокусирамо на неколико ласерских принципа технологија и производа који се могу подесити у широком опсегу таласних дужина од близу инфрацрвене до средње инфрацрвене.

①Оптички параметарски осцилатори, појачала и генератори (ОПО и ОПА)

У систему за нелинеарну конверзију фреквенције, близу инфрацрвени ласер, оптички параметарски осцилатор (ОПО), појачавач (ОПА) или генератор (ОПГ) се могу користити за генерисање празног светла у средњем инфрацрвеном спектралном региону, као што су:
У наносекундним ОПО средњим инфрацрвеним ласерима, ласери са преклопком К могу се користити као извори пумпе. Уобичајени кристални материјали који се користе за такве примене су цинк германијум фосфид (ЗГП, ЗнГеП2), сребрни галијум сулфид и селенид (АгГаС2, АгГаСе2), галијум селенид (ГаСе) и кадмијум селенид (ЦдСе).
Пошто су многи од ових материјала непрозирни у региону од 1 μм, често је неопходно користити ОПО у серији: први ОПО претвара ласерско зрачење од 1 μм у већу таласну дужину, која се затим користи за пумпање стварног средњег инфрацрвеног ОПО. Сигнал последњег и фреквенција мировања могу бити у области средњег инфрацрвеног спектра.
Пикосекундни Нд:ИВО4 ласер са закључаним модом од 1064 нм се такође може користити за синхроно пумпање кристала ОПО и ЛиНбО3, омогућавајући излаз светлости празног хода да достигне 4 μм или чак 4,5 μм. Његово ограничење таласне дужине је углавном супериорније од повећања апсорпције светла у празном ходу на дугим таласним дужинама. Стога, ОПО засновани на овом принципу обично имају резонантни сигнал. Такав уређај би лако могао да генерише импулсе са енергијом у десетинама милиџула. Излазна таласна дужина је подесива на стотине нанометара.

②ЦВОПО

У поређењу са импулсном побудом општег ОПО, новији ЦВОПО технолошки производи обезбеђују средње инфрацрвене ласере засноване на следећем оквиру:

1) ДФБ влакнасти ласери и појачивачи;

2) ДФБ фибер ласерска контрола;

3) ОПО оптички део и контрола;
Овај тип производа може да обезбеди континуирано подесиву излазну таласну дужину у средњем инфрацрвеном опсегу од 1435-4138 нм (6969-2416 цм-1). Истовремено, у поређењу са пулсним ОПО, ова врста производа може да обезбеди одличну ширину линије. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Квантни каскадни ласер

Квантни каскадни ласери су релативно нов правац развоја у области полупроводничких ласера.

Разлика између квантних каскадних ласера ​​и раних средњих инфрацрвених полупроводничких ласера ​​заснованих на међупојасним прелазима је у томе што раде на основу међупојасних прелаза.

Ово омогућава квантним каскадним ласерима да конструишу детаље структуре полупроводничког слоја тако да енергија прелаза фотона (а самим тим и таласна дужина) може да варира у широком опсегу. Поред тога, неки важни опсези подешавања таласне дужине (понекад прелазе 10% централне таласне дужине) такође могу бити покривени преко уређаја за спољашњу шупљину.

Иако је тренутно потребно криогено хлађење да би се постигле оптималне перформансе, многи квантни каскадни ласери и даље могу да раде на собној температури, чак и континуирано. Квантни каскадни ласери се такође могу користити за генерисање импулсних ласера ​​са временима импулса чак и знатно испод 1 нс, иако је вршна снага прилично ограничена.

Што се тиче снаге, иако његова излазна снага може да достигне 1 В кроз оптимизацију, излазна снага овог типа ласера ​​је и даље нижа од оне код уобичајених инфрацрвених ласера. Јер, у области квантних каскадних ласера, који се углавном користе у спектроскопији, квантни каскадни ласери су ограничени на прелазе са мањом енергијом фонона.

Ево неких уобичајених параметара и типова:
ЦВ-ДФБ ласерска цев 800 цм-1-2320 цм-1
Импулсна ДФБ ласерска цев 700 цм-1-2350 цм-1
Расхладна ДФБ ласерска цев 645 цм-1-2370 цм-1

ОПО (оптички параметарски осцилатор) и квантна каскада су две најчешће коришћене технологије у генерисању средњих инфрацрвених ласера ​​и имају неке значајне разлике у примени.

ОПО (оптички параметарски осцилатор, оптички параметарски осцилатор):

ОПО је нелинеарни оптички уређај који користи параметарске процесе у нелинеарним оптичким кристалима или оптичким влакнима за генерисање нових таласних дужина, укључујући средњи инфрацрвени опсег. ОПО побуђује параметарске осцилације кроз извор светлости пумпе, где нелинеарни материјали у осцилатору деле светлост пумпе на сигнално светло и помоћно светло. Таласна дужина сигналне светлости се може подесити у средњем инфрацрвеном опсегу, док помоћно светло делује као повратна информација извору светлости пумпе. ОПО има високу ефикасност конверзије и широк опсег подешавања фреквенције, тако да се широко користи у истраживању и апликацијама ласера ​​средњег инфрацрвеног спектра.

Разлика у примени: ОПО је погодан за апликације које захтевају подешавање фреквенције. Подешавањем фреквенције светлости пумпе или услова усклађивања фаза нелинеарног кристала, континуално подесиви ласерски излаз се може постићи у средњем инфрацрвеном опсегу. ОПО се може користити у спектралној анализи, детекцији гаса, биомедицинском снимању и другим пољима, а посебно је погодан за апликације које захтевају анализу високе осетљивости или микроскопско снимање у средњем инфрацрвеном опсегу.

Квантна каскада:

Квантни каскадни ласер је ласер заснован на полупроводничкој суперрешеткастој структури која генерише средње инфрацрвено ласерско светло кроз квантни каскадни процес. У квантном каскадном ласеру, електрони ослобађају енергију кроз процес прелаза корак по корак између више енергетских опсега, производећи континуирано подесиво средње инфрацрвено зрачење.

Разлике у примени: Квантни каскадни ласери имају већу снагу и ужу спектралну ширину линије, и погодни су за спектрална мерења високе резолуције, лидар, инфрацрвено снимање и друга поља. Квантни каскадни ласери такође могу да раде у окружењима са високом температуром, тако да су погодни за апликације које захтевају средње инфрацрвене ласере у тешким условима, као што су индустријска инспекција, праћење животне средине итд.

Укратко, ОПО се углавном користи за апликације са високофреквентном прилагодљивошћу, док су квантни каскадни ласери погоднији за велику снагу, уску ширину линије и високу температуру.

Специфично поређење разлика вредности параметара варира у зависности од модела производа и произвођача. Следе примери неких уобичајених поређења параметара:

——Подешавање фреквенције:

ОПО: Може се постићи континуирано подесив средњи инфрацрвени ласерски излаз, са фреквенцијским опсегом обично од стотина мегахерца до неколико гигахерца или шире.

Квантна каскада: Опсег подешавања фреквенције је релативно узак, обично десетине до стотине мегахерца или ужи.

——Излазна снага и ефикасност:

ОПО: Излазна снага је обично у распону од неколико стотина миливата до неколико вати, а ефикасност конверзије може достићи више од 10%.

Квантна каскада: Излазна снага је обично у распону од десетина до стотина миливата, а ефикасност конверзије може достићи више од 20%.

——Ширина спектралне линије:

ОПО: Ширина спектралне линије је уска, обично у опсегу од неколико гигахерца до десетина мегахерца.

Квантна каскада: Ширина спектралне линије је релативно широка, обично у опсегу од десетина гигахерца до стотина мегахерца.

--Радна температура:

ОПО: Обично треба да ради на стабилнијој собној температури или близу собне температуре.

Квантна каскада: Може да ради на вишим радним температурама, обично изнад собне температуре, чак и до десетина степени Целзијуса.

Треба напоменути да су ове вредности само за општу референцу и не представљају специфичне параметре свих комерцијалних производа. Стварни параметри зависе од модела производа, технолошког напретка и захтева произвођача за дизајн и перформансе. Приликом одабира одређеног комерцијалног производа, најбоље је погледати спецификацију производа и техничку документацију коју је обезбедио произвођач за тачне информације о параметрима.

④Суперконтинуални извор светлости

Постоје неки извори светлости засновани на генерисању суперконтинуума који обухватају велики део средњег инфрацрвеног опсега. Такав извор светлости могао би да ради на основу одређених средњих инфрацрвених оптичких влакана, кроз која се шаљу интензивни светлосни импулси да би се створиле јаке нелинеарне интеракције.

Ако је потребно подесиво светло уске ширине линије, подесиви филтери се могу користити за издвајање жељених спектралних компоненти из светлости широког спектра. У неким случајевима се користи цео спектар. Један пример је оптичка кохерентна томографија (ОЦТ). Овај процес се често изводи на краћим таласним дужинама. Међутим, предност средњег инфрацрвеног светла у овој апликацији је у томе што је средње инфрацрвено светло мање расејано. У поређењу са краћим опсезима таласне дужине, има способност да продре дубље.

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 мВ/нм), има шири пропусни опсег, већу просторну кохерентност, усмереност и осветљеност од традиционалних ласера.

⑤Микро средњи инфрацрвени извор светлости

Тренутно постоје многи покушаји да се развију фотонска интегрисана кола за средње инфрацрвене апликације, као што су они засновани на платформама силицијумске фотонике. Нажалост, није лако имплементирати средњи инфрацрвени извор светлости на чип, што је довело до истраживања многих могућих метода. Један пример је интегрисање извора светлости у друге полупроводнике, и иако ово представља техничке потешкоће, постоје и примери који укључују технологију спајања флип-цхип-а. Друга могућност је да се интегришу емитери црног тела (→ топлотно зрачење) или луминисцентни материјали, иако то не доводи до просторно кохерентног зрачења.

Постоје и друге методе засноване на нелинеарној конверзији фреквенције, користећи Керову нелинеарност за четвороталасно мешање или стимулисано Раманово расејање. А помоћу микрорезонатора, фреквентни чешљеви се такође могу генерисати.

Осим тога

Следе неки извори средњег инфрацрвеног светла који се ређе користе. Пошто се не користе у широкој употреби, овде се неће говорити превише о њима, као што су ласери са слободним електронима и ЦО₂ ласери са удвострученом фреквенцијом.

На основу горе наведеног, ово је референца за поређење и избор различитих типова ласера: