Близък инфрачервен до среден инфрачервен регулируем лазерен план за избор

Тази статия има за цел да обсъди някои съображения и програмни предложения при избора на източници на светлина от близки до инфрачервени до средно инфрачервени. Тази статия основно въвежда и сравнява накратко четирите основни категории оптични параметрични осцилатори (OPO), оптични параметрични усилватели (OPA), квантови каскадни лазери и суперконтинуални източници на светлина.

1. Различни дефиниции на спектралния диапазон

Най-общо казано, когато хората говорят за източници на инфрачервена светлина, те имат предвид светлина с вакуумна дължина на вълната над ~700–800 nm (горната граница на видимия диапазон на дължина на вълната).

Конкретната долна граница на дължината на вълната не е ясно дефинирана в това описание, тъй като възприятието на човешкото око за инфрачервеното бавно намалява, вместо да прекъсва при скала.

Например реакцията на светлина при 700 nm към човешкото око вече е много ниска, но ако светлината е достатъчно силна, човешкото око дори може да види светлината, излъчвана от някои лазерни диоди с дължини на вълните над 750 nm, което също прави инфрачервен лазерите представляват риск за безопасността. --Дори и да не е много ярък за човешкото око, действителната му мощност може да е много висока.

По същия начин, подобно на долния граничен обхват на източника на инфрачервена светлина (700~800 nm), обхватът на дефиниране на горната граница на източника на инфрачервена светлина също е несигурен. Най-общо казано е около 1 мм.

Ето някои общи дефиниции на инфрачервената лента:

——Близка инфрачервена спектрална област (наричана още IR-A), обхват ~750-1400 nm.
Лазерите, излъчвани в тази област на дължина на вълната, са предразположени към шум и проблеми с безопасността на човешкото око, тъй като функцията за фокусиране на човешкото око е съвместима с диапазоните на близката инфрачервена и видимата светлина, така че източникът на светлина в близката инфрачервена лента може да бъде предаден и фокусиран към чувствителната ретина по същия начин, но светлината от близката инфрачервена лента не задейства защитния рефлекс на мигане. В резултат на това ретината на човешкото око се уврежда от прекомерна енергия поради нечувствителност. Следователно, когато използвате източници на светлина в тази лента, трябва да се обърне пълно внимание на защитата на очите.

——Инфрачервен обхват с къса дължина на вълната (SWIR, IR-B) от 1.4-3 μm.
Тази област е относително безопасна за очите, тъй като тази светлина се абсорбира от окото, преди да достигне до ретината. Например в този регион работят влакнести усилватели, легирани с ербий, използвани в оптичните комуникации.
——Инфрачервеният обхват на средната вълна (MWIR) е 3-8 μm.
Атмосферата показва силно поглъщане в части от региона; много атмосферни газове ще имат абсорбционни линии в тази лента, като въглероден диоксид (CO2) и водна пара (H2O). Освен това, тъй като много газове показват силно поглъщане в тази лента. Силните характеристики на поглъщане правят този спектрален регион широко използван за откриване на газ в атмосферата.

——Инфрачервеният обхват на дълги вълни (LWIR) е 8-15 μm.
——Следва далечната инфрачервена светлина (FIR), която варира от 15 μm-1 mm (но има и определения, започващи от 50 μm, вижте ISO 20473). Тази спектрална област се използва предимно за термични изображения.
Тази статия има за цел да обсъди избора на широколентови лазери с регулируема дължина на вълната с източници на светлина от близки до инфрачервени до средни инфрачервени лъчи, които могат да включват горната инфрачервена къса дължина на вълната (SWIR, IR-B, вариращи от 1.4-3 μm) и част от инфрачервения диапазон на средната вълна (MWIR, обхватът е 3-8 μm).

2. Типично приложение

Типично приложение на светлинни източници в тази лента е идентифицирането на лазерни абсорбционни спектри в следи от газове (напр. дистанционно наблюдение при медицинска диагностика и мониторинг на околната среда). Тук анализът се възползва от силните и характерни ленти на поглъщане на много молекули в средната инфрачервена спектрална област, които служат като "молекулни пръстови отпечатъци". Въпреки че някои от тези молекули могат също да се изследват чрез пан-абсорбционни линии в близката инфрачервена област, тъй като близките инфрачервени лазерни източници са по-лесни за подготовка, има предимства при използването на силни фундаментални абсорбционни линии в средната инфрачервена област с по-висока чувствителност .

При изображения със средна инфрачервена светлина се използват и източници на светлина в тази лента. Хората обикновено се възползват от факта, че средната инфрачервена светлина може да проникне по-дълбоко в материалите и има по-малко разсейване. Например, в съответните хиперспектрални приложения за изображения, близкият инфрачервен до среден инфрачервен диапазон може да осигури спектрална информация за всеки пиксел (или воксел).

Поради непрекъснатото развитие на средни инфрачервени лазерни източници, като лазери с влакна, приложенията за обработка на неметални лазерни материали стават все по-практични. Обикновено хората се възползват от силното поглъщане на инфрачервена светлина от определени материали, като полимерни филми, за селективно отстраняване на материали.

Типичен случай е, че прозрачните проводими филми от индиев калаен оксид (ITO), използвани за електроди в електронни и оптоелектронни устройства, трябва да бъдат структурирани чрез селективна лазерна аблация. Друг пример е прецизното отстраняване на покрития върху оптични влакна. Нивата на мощност, изисквани в тази лента за такива приложения, обикновено са много по-ниски от тези, необходими за приложения като лазерно рязане.

Близки до инфрачервени източници на светлина се използват и от военните за насочени инфрачервени противодействия срещу ракети с топлинно насочване. В допълнение към по-високата изходна мощност, подходяща за заслепяване на инфрачервени камери, широко спектрално покритие в рамките на атмосферната лента на предаване (около 3-4 μm и 8-13 μm) също е необходимо, за да се предотврати защитата на обикновените назъбени филтри от инфрачервените детектори.

Прозорецът за атмосферно предаване, описан по-горе, може също да се използва за оптични комуникации в свободното пространство чрез насочени лъчи, а квантовите каскадни лазери се използват в много приложения за тази цел.

В някои случаи са необходими ултракъси импулси със среден инфрачервен диапазон. Например, може да се използват гребени със средна инфрачервена честота в лазерната спектроскопия или да се използват високите пикови интензитети на ултракъсите импулси за лазерно излъчване. Това може да се генерира с лазер със заключен режим.

По-специално, за източници на светлина от близката инфрачервена до средната инфрачервена светлина, някои приложения имат специални изисквания за сканиране на дължини на вълните или регулируемост на дължината на вълната, а регулируемите лазери от близката до инфрачервената до средната инфрачервена дължина на вълната също играят изключително важна роля в тези приложения.

Например в спектроскопията регулируемите лазери със средна инфрачервена област са основни инструменти, независимо дали при отчитане на газ, мониторинг на околната среда или химичен анализ. Учените регулират дължината на вълната на лазера, за да го позиционират точно в средния инфрачервен диапазон, за да открият специфични молекулни абсорбционни линии. По този начин те могат да получат подробна информация за състава и свойствата на материята, като да разбият кодова книга, пълна с тайни.

В областта на медицинските изображения регулируемите лазери със среден инфрачервен диапазон също играят важна роля. Те се използват широко в неинвазивните диагностични и образни технологии. Чрез прецизно настройване на дължината на вълната на лазера, средната инфрачервена светлина може да проникне в биологичната тъкан, което води до изображения с висока разделителна способност. Това е важно за откриване и диагностициране на заболявания и аномалии, подобно на магическа светлина, надничаща във вътрешните тайни на човешкото тяло.

Областта на отбраната и сигурността също е неделима от приложението на регулируеми лазери със средна инфрачервена област. Тези лазери играят ключова роля в инфрачервените противодействия, особено срещу ракети с топлинно насочване. Например системата за насочено инфрачервено противодействие (DIRCM) може да защити самолетите от проследяване и нападение от ракети. Чрез бързо регулиране на дължината на вълната на лазера, тези системи могат да се намесват в системата за насочване на приближаващите ракети и незабавно да обърнат хода на битката, подобно на магически меч, който пази небето.

Технологията за дистанционно наблюдение е важно средство за наблюдение и мониторинг на земята, в което инфрачервените регулируеми лазери играят ключова роля. Области като мониторинг на околната среда, атмосферни изследвания и наблюдение на Земята разчитат на използването на тези лазери. Средно инфрачервените регулируеми лазери позволяват на учените да измерват специфични абсорбционни линии на газове в атмосферата, предоставяйки ценни данни за подпомагане на климатичните изследвания, мониторинга на замърсяването и прогнозирането на времето, като вълшебно огледало, което може да надникне в мистериите на природата.

В промишлени условия регулируемите лазери със среден инфрачервен диапазон се използват широко за прецизна обработка на материали. Чрез настройване на лазерите към дължини на вълните, които се абсорбират силно от определени материали, те позволяват селективна аблация, рязане или заваряване. Това позволява прецизно производство в области като електроника, полупроводници и микрообработка. Лазерът със средна инфрачервена честота е като фино полиран резбарски нож, позволяващ на индустрията да издълбава фино резбовани продукти и да показва блясъка на технологията.

3. Типове регулируеми лазерни продукти от близък до инфрачервен до среден инфрачервен диапазон и характеристики за избор

Много технологии могат да произвеждат лазери от близката инфрачервена до средната инфрачервена област, като различни видове лазери с оловни соли, базирани на ранни троични оловни съединения или кватернерни съединения, както и обикновени обемни лазери с легиран изолатор, различни лазери с влакна и газови лазери с въглероден диоксид. Изчакайте, тук се фокусираме върху няколко технологии и продукти на лазерен принцип, които могат да бъдат настроени в широк диапазон от дължини на вълните от близки до инфрачервени до средни инфрачервени.

①Оптични параметрични осцилатори, усилватели и генератори (OPO и OPA)

В нелинейна система за преобразуване на честота може да се използва близък инфрачервен лазер, оптичен параметричен осцилатор с помпа (OPO), усилвател (OPA) или генератор (OPG) за генериране на празна светлина в средната инфрачервена спектрална област, като например:
В наносекундните OPO средни инфрачервени лазери, Q-switched лазерите могат да се използват като източници на помпа. Обичайните кристални материали, използвани за такива приложения, са цинков германиев фосфид (ZGP, ZnGeP2), сребърен галиев сулфид и селенид (AgGaS2, AgGaSe2), галиев селенид (GaSe) и кадмиев селенид (CdSe).
Тъй като много от тези материали са непрозрачни в областта от 1 μm, често е необходимо да се използват OPO последователно: първият OPO преобразува лазерното лъчение от 1 μm в по-голяма дължина на вълната, която след това се използва за изпомпване на действителния OPO със среден инфрачервен диапазон. Сигналът на последния и честотата на празен ход могат да бъдат както в областта на средния инфрачервен спектър.
Пикосекундният Nd:YVO4 лазер със заключен режим на 1064 nm може също да се използва за синхронно изпомпване на OPO и LiNbO3 кристали, което позволява светлинният поток на празен ход да достигне 4 μm или дори 4,5 μm. Неговото ограничение на дължината на вълната е главно по-добро от увеличаването на поглъщането на празна светлина при дълги дължини на вълната. Следователно OPO, базирани на този принцип, обикновено имат резонансен сигнал. Такова устройство може лесно да генерира импулси с енергия в десетки милиджаули. Изходната дължина на вълната може да се настройва в рамките на стотици нанометри.

②CWOPO

В сравнение с импулсното възбуждане на общия OPO, последните технологични продукти на CWOPO осигуряват средноинфрачервени лазери, базирани на следната рамка:

1) DFB влакнести лазери и усилватели;

2) DFB фибро лазерно управление;

3) OPO оптична част и управление;
Този тип продукт може да осигури непрекъснато регулируема изходна дължина на вълната в средния инфрачервен диапазон от 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). В същото време, в сравнение с импулсния OPO, този тип продукт може да осигури отлична ширина на линията. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Квантов каскаден лазер

Квантовите каскадни лазери са сравнително нова посока на развитие в областта на полупроводниковите лазери.

Разликата между квантовите каскадни лазери и ранните средноинфрачервени полупроводникови лазери, базирани на междулентови преходи, е, че те работят въз основа на междуподлентови преходи.

Това позволява на квантовите каскадни лазери да проектират детайлите на структурата на полупроводниковия слой, така че енергията на преходния фотон (и следователно дължината на вълната) да може да варира в широк диапазон. В допълнение, някои важни диапазони за настройка на дължината на вълната (понякога надхвърлящи 10% от централната дължина на вълната) също могат да бъдат покрити чрез устройства с външна кухина.

Въпреки че в момента е необходимо криогенно охлаждане за постигане на оптимална производителност, много квантови каскадни лазери все още могат да работят при стайна температура, дори непрекъснато. Квантовите каскадни лазери могат също да се използват за генериране на импулсни лазери с импулсно време дори много под 1 ns, въпреки че пиковата мощност е доста ограничена.

По отношение на мощността, въпреки че изходната му мощност може да достигне 1 W чрез оптимизация, изходната мощност на този тип лазер все още е по-ниска от тази на обикновените инфрачервени лазери. Тъй като в областта на квантовите каскадни лазери, които се използват главно в спектроскопията, квантовите каскадни лазери са ограничени до преходи с по-ниска фононна енергия.

Ето някои общи параметри и типове:
CW-DFB лазерна тръба 800 cm-1-2320 cm-1
Импулсна DFB лазерна тръба 700 cm-1-2350 cm-1
Хладилна DFB лазерна тръба 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (оптичен параметричен осцилатор) и квантовата каскада са две често използвани технологии в лазерното генериране на среден инфрачервен диапазон и имат някои значителни разлики в приложението.

OPO (оптичен параметричен осцилатор, оптичен параметричен осцилатор):

OPO е нелинейно оптично устройство, което използва параметрични процеси в нелинейни оптични кристали или оптични влакна за генериране на нови дължини на вълните, включително средната инфрачервена лента. OPO възбужда параметрични трептения чрез източник на светлина на помпата, където нелинейните материали в осцилатора разделят светлината на помпата на сигнална светлина и спомагателна светлина. Дължината на вълната на сигналната светлина може да се настройва в средния инфрачервен диапазон, докато спомагателната светлина действа като обратна връзка към светлинния източник на помпата. OPO има висока ефективност на преобразуване и широк обхват на настройка на честотата, така че се използва широко в лазерни изследвания и приложения със среден инфрачервен диапазон.

Разлика в приложението: OPO е подходящ за приложения, изискващи настройка на честотата. Чрез регулиране на честотата на светлината на помпата или условията за фазово съвпадение на нелинейния кристал може да се постигне непрекъснато регулируем лазерен изход в средния инфрачервен диапазон. OPO може да се използва в спектрален анализ, откриване на газ, биомедицински изображения и други области и е особено подходящ за приложения, които изискват анализ с висока чувствителност или микроскопични изображения в средната инфрачервена лента.

Квантова каскада:

Квантовият каскаден лазер е лазер, базиран на структура на полупроводникова свръхрешетка, която генерира средна инфрачервена лазерна светлина чрез квантов каскаден процес. В квантовия каскаден лазер електроните освобождават енергия чрез процес на преход стъпка по стъпка между множество енергийни ленти, произвеждайки непрекъснато регулируемо средно инфрачервено лъчение.

Разлики в приложението: Квантовите каскадни лазери имат по-висока мощност и по-тясна спектрална ширина на линията и са подходящи за спектрални измервания с висока разделителна способност, лидар, инфрачервени изображения и други полета. Квантовите каскадни лазери могат да работят и във високотемпературна среда, така че са подходящи за приложения, които изискват средноинфрачервени лазери при тежки условия, като промишлени инспекции, мониторинг на околната среда и др.

За да обобщим, OPO се използва главно за приложения с възможност за настройка на висока честота, докато квантовите каскадни лазери са по-подходящи за висока мощност, тясна ширина на линията и висока температура.

Специфичното сравнение на разликите в стойността на параметрите варира според модела на продукта и производителя. Следват примери за някои общи сравнения на параметри:

——Настройваемост на честотата:

OPO: Може да се постигне непрекъснато настройваем средно инфрачервен лазерен изход с честотен диапазон обикновено от стотици мегахерца до няколко гигахерца или по-широк.

Квантова каскада: Диапазонът на настройка на честотата е относително тесен, обикновено десетки до стотици мегахерца или по-тесен.

——Изходна мощност и ефективност:

OPO: Изходната мощност обикновено е в диапазона от няколкостотин миливата до няколко вата, а ефективността на преобразуване може да достигне повече от 10%.

Квантова каскада: Изходната мощност обикновено е в диапазона от десетки до стотици миливати, а ефективността на преобразуване може да достигне повече от 20%.

——Спектрална ширина на линията:

OPO: Ширината на спектралната линия е тясна, обикновено в диапазона от няколко гигахерца до десетки мегахерца.

Квантова каскада: Ширината на спектралната линия е относително широка, обикновено в диапазона от десетки гигахерца до стотици мегахерца.

--Работна температура:

OPO: Обикновено трябва да работи при по-стабилна стайна температура или близка до стайната.

Квантова каскада: Може да работи при по-високи работни температури, обикновено над стайна температура, дори до десетки градуси по Целзий.

Трябва да се отбележи, че тези стойности са само за обща справка и не представляват специфичните параметри на всички търговски продукти. Действителните параметри зависят от модела на продукта, технологичния напредък и изискванията за дизайн и производителност на производителя. Когато избирате конкретен търговски продукт, най-добре е да се обърнете към спецификационния лист на продукта и техническата документация, предоставена от производителя, за точна информация за параметрите.

④Суперконтинуумен източник на светлина

Има някои източници на светлина, базирани на генериране на суперконтинуум, които обхващат голяма част от средната инфрачервена лента. Такъв източник на светлина може да работи на базата на определени оптични влакна със среден инфрачервен диапазон, през които се изпращат интензивни светлинни импулси, за да се създадат силни нелинейни взаимодействия.

Ако е необходима регулируема светлина с тясна ширина на линията, могат да се използват регулируеми филтри за извличане на желаните спектрални компоненти от светлината с широк спектър. В някои случаи се използва целият спектър. Един пример е оптичната кохерентна томография (OCT). Този процес често се извършва при по-къси ленти с дължина на вълната. Въпреки това, предимството на средната инфрачервена светлина в това приложение е, че средната инфрачервена светлина е по-малко разпръсната. В сравнение с лентите с по-къса дължина на вълната, той има способността да прониква по-дълбоко.

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), има по-широка честотна лента, по-висока пространствена кохерентност, насоченост и яркост от традиционните лазери.

⑤Микро среден инфрачервен източник на светлина

В момента има много опити за разработване на фотонни интегрални схеми за средни инфрачервени приложения, като например тези, базирани на платформи за силициева фотоника. За съжаление, не е лесно да се внедри източник на светлина със средна инфрачервена светлина върху чип, което доведе до изследване на много възможни методи. Един пример е интегрирането на източници на светлина в други полупроводници и въпреки че това създава технически трудности, има и примери, включващи технология за свързване на флип-чип. Друга възможност е да се интегрират излъчватели на черно тяло (→ топлинно излъчване) или луминесцентни материали, въпреки че това не води до пространствено кохерентно излъчване.

Има и други методи, базирани на нелинейно честотно преобразуване, използващи нелинейността на Кер за четиривълново смесване или стимулирано раманово разсейване. С помощта на микрорезонатори също могат да се генерират честотни гребени.

Освен това

По-долу са някои източници на светлина със средна инфрачервена светлина, които се използват по-рядко. Тъй като те не се използват широко, те няма да бъдат обсъждани твърде много подробно тук, като например лазери със свободни електрони и CO₂ лазери с удвоена честота.

Въз основа на горното, следното е справка за сравнение и избор на различни видове лазери: