Pla de selecció de làser ajustable d'infraroig proper a infraroig mitjà

Aquest article pretén discutir algunes consideracions i suggeriments de programes a l'hora de seleccionar fonts de llum d'infraroig proper a infraroig mitjà. Aquest article presenta i compara breument les quatre categories principals d'oscil·ladors òptics paramètrics (OPO), amplificadors òptics paramètrics (OPA), làsers de cascada quàntica i fonts de llum supercontinu.

1.Diferents definicions de rang espectral

En termes generals, quan la gent parla de fonts de llum infraroja, es refereix a la llum amb longituds d'ona de buit superiors a ~700-800 nm (el límit superior del rang de longitud d'ona visible).

El límit inferior de la longitud d'ona específica no està clarament definit en aquesta descripció perquè la percepció de l'ull humà de l'infraroig disminueix lentament en lloc de tallar-se en un penya-segat.

Per exemple, la resposta de la llum a 700 nm a l'ull humà ja és molt baixa, però si la llum és prou forta, l'ull humà fins i tot pot veure la llum emesa per alguns díodes làser amb longituds d'ona superiors als 750 nm, que també fa infrarojos. els làsers un risc per a la seguretat. --Encara que no sigui molt brillant per a l'ull humà, la seva potència real pot ser molt alta.

De la mateixa manera, com el rang de límit inferior de la font de llum infraroja (700 ~ 800 nm), el rang de definició del límit superior de la font de llum infraroja també és incert. En general, és d'uns 1 mm.

Aquí hi ha algunes definicions comunes de la banda infraroja:

——Regió espectral de l'infraroig proper (també anomenada IR-A), rang ~750-1400 nm.
Els làsers emesos en aquesta regió de longitud d'ona són propensos a problemes de soroll i seguretat dels ulls humans, perquè la funció d'enfocament de l'ull humà és compatible amb els rangs de llum visible i infraroja propera, de manera que la font de llum de banda d'infrarojos propers es pot transmetre i enfocar al retina sensible de la mateixa manera, però la llum de la banda d'infrarojos propers no activa el reflex de parpelleig protector. Com a resultat, la retina de l'ull humà està danyada per l'excés d'energia a causa de la insensibilitat. Per tant, quan s'utilitzen fonts de llum en aquesta banda, s'ha de prestar tota l'atenció a la protecció ocular.

——Infrarojos de longitud d'ona curta (SWIR, IR-B) rang d'1,4-3 μm.
Aquesta àrea és relativament segura per als ulls perquè aquesta llum és absorbida per l'ull abans d'arribar a la retina. Per exemple, en aquesta regió operen els amplificadors de fibra dopat amb erbi utilitzats en comunicacions de fibra òptica.
——El rang d'infrarojos d'ona mitjana (MWIR) és de 3-8 μm.
L'atmosfera mostra una forta absorció en algunes parts de la regió; molts gasos atmosfèrics tindran línies d'absorció en aquesta banda, com ara el diòxid de carboni (CO2) i el vapor d'aigua (H2O). També perquè molts gasos presenten una forta absorció en aquesta banda. Les fortes característiques d'absorció fan que aquesta regió espectral sigui àmpliament utilitzada per a la detecció de gasos a l'atmosfera.

——El rang d'infrarojos d'ona llarga (LWIR) és de 8-15 μm.
——El següent és l'infraroig llunyà (FIR), que oscil·la entre els 15 μm-1 mm (però també hi ha definicions a partir de 50 μm, vegeu ISO 20473). Aquesta regió espectral s'utilitza principalment per a la imatge tèrmica.
Aquest article té com a objectiu discutir la selecció de làsers de longitud d'ona ajustables de banda ampla amb fonts de llum d'infraroig proper a infraroig mitjà, que poden incloure l'infraroig de longitud d'ona curta anterior (SWIR, IR-B, que oscil·la entre 1.4-3 μm) i part de l'infraroig d'ona mitjana (MWIR, l'abast és de 3-8 μm).

2.Aplicació típica

Una aplicació típica de les fonts de llum en aquesta banda és la identificació d'espectres d'absorció làser en gasos traça (per exemple, teledetecció en diagnòstic mèdic i monitoratge ambiental). Aquí, l'anàlisi aprofita les bandes d'absorció fortes i característiques de moltes molècules a la regió espectral de l'infraroig mitjà, que serveixen com a "empremtes dactilars moleculars". Tot i que també es poden estudiar algunes d'aquestes molècules mitjançant línies d'absorció panoràmica a la regió de l'infraroig proper, ja que les fonts làser d'infraroig proper són més fàcils de preparar, hi ha avantatges d'utilitzar línies d'absorció fonamentals fortes a la regió d'infraroig mitjà amb més sensibilitat. .

En la imatge d'infraroig mitjà, també s'utilitzen fonts de llum en aquesta banda. Les persones solen aprofitar el fet que la llum d'infrarojos mitjans pot penetrar més profundament en els materials i té menys dispersió. Per exemple, a les aplicacions d'imatge hiperespectral corresponents, l'infraroig proper a l'infraroig mitjà pot proporcionar informació espectral per a cada píxel (o voxel).

A causa del desenvolupament continuat de fonts làser d'infraroig mitjà, com ara làsers de fibra, les aplicacions de processament de materials làser no metàl·lics són cada cop més pràctiques. Normalment, les persones aprofiten la forta absorció de la llum infraroja per part de determinats materials, com ara pel·lícules de polímer, per eliminar selectivament els materials.

Un cas típic és que les pel·lícules conductores transparents d'òxid d'indi estany (ITO) utilitzades per a elèctrodes en dispositius electrònics i optoelectrònics s'han d'estructurar mitjançant l'ablació làser selectiva. Un altre exemple és el decapament precís de recobriments sobre fibres òptiques. Els nivells de potència requerits en aquesta banda per a aquestes aplicacions solen ser molt inferiors als requerits per a aplicacions com ara el tall per làser.

L'exèrcit també utilitzen fonts de llum d'infraroig proper a mitjà infraroig per a contramesures direccionals d'infrarojos contra míssils de recerca de calor. A més d'una potència de sortida més alta adequada per a encegar càmeres infrarojes, també es requereix una àmplia cobertura espectral dins de la banda de transmissió atmosfèrica (al voltant de 3-4 μm i 8-13 μm) per evitar que els filtres amb osques simples protegeixen els detectors d'infrarojos.

La finestra de transmissió atmosfèrica descrita anteriorment també es pot utilitzar per a comunicacions òptiques d'espai lliure mitjançant feixos direccionals, i els làsers de cascada quàntica s'utilitzen en moltes aplicacions per a aquest propòsit.

En alguns casos, es requereixen polsos ultracurts d'infraroig mitjà. Per exemple, es podria utilitzar pintes de freqüència d'infrarojos mitjans en espectroscòpia làser o aprofitar les intensitats màximes elevades dels polsos ultracurts per al làser. Això es pot generar amb un làser bloquejat en mode.

En particular, per a fonts de llum d'infraroig proper a infraroig mitjà, algunes aplicacions tenen requisits especials per escanejar longituds d'ona o ajustar la longitud d'ona, i els làsers ajustables de longitud d'ona d'infraroig proper a infraroig mitjà també tenen un paper extremadament important en aquestes aplicacions.

Per exemple, en espectroscòpia, els làsers ajustables d'infraroig mitjà són eines essencials, ja sigui en la detecció de gasos, el control ambiental o l'anàlisi química. Els científics ajusten la longitud d'ona del làser per posicionar-lo amb precisió en el rang d'infraroig mitjà per detectar línies específiques d'absorció molecular. D'aquesta manera, poden obtenir informació detallada sobre la composició i les propietats de la matèria, com ara trencar un llibre de codis ple de secrets.

En el camp de la imatge mèdica, els làsers ajustables d'infraroig mitjà també tenen un paper important. S'utilitzen àmpliament en tecnologies de diagnòstic i imatge no invasives. Ajustant amb precisió la longitud d'ona del làser, la llum d'infraroig mitjà pot penetrar en el teixit biològic, donant lloc a imatges d'alta resolució. Això és important per detectar i diagnosticar malalties i anomalies, com una llum màgica que mira els secrets interiors del cos humà.

El camp de la defensa i la seguretat també és inseparable de l'aplicació de làsers ajustables d'infraroig mitjà. Aquests làsers tenen un paper clau en les contramesures d'infrarojos, especialment contra els míssils de recerca de calor. Per exemple, el sistema de contramesures d'infrarojos direccionals (DIRCM) pot protegir els avions de ser rastrejats i atacats per míssils. Ajustant ràpidament la longitud d'ona del làser, aquests sistemes poden interferir amb el sistema de guia dels míssils entrants i canviar instantàniament el rumb de la batalla, com una espasa màgica que protegeix el cel.

La tecnologia de teledetecció és un mitjà important per observar i controlar la Terra, en el qual els làsers sintonitzables infrarojos tenen un paper clau. Camps com el monitoratge ambiental, la investigació atmosfèrica i l'observació de la Terra depenen de l'ús d'aquests làsers. Els làsers ajustables d'infraroig mitjà permeten als científics mesurar línies específiques d'absorció de gasos a l'atmosfera, proporcionant dades valuoses per ajudar a la investigació climàtica, el seguiment de la contaminació i la previsió del temps, com un mirall màgic que pot veure els misteris de la natura.

En entorns industrials, els làsers ajustables d'infrarojos mitjans s'utilitzen àmpliament per al processament de materials de precisió. En ajustar els làsers a longituds d'ona que són fortament absorbides per certs materials, permeten l'ablació selectiva, el tall o la soldadura. Això permet la fabricació de precisió en àrees com l'electrònica, els semiconductors i el micromecanitzat. El làser ajustable d'infrarojos mitjans és com un ganivet de tallar finament polit, que permet a la indústria tallar productes finament tallats i mostrar la brillantor de la tecnologia.

3. Tipus de productes làser ajustables d'infraroig proper a infraroig mitjà i característiques de selecció

Moltes tecnologies poden produir làsers d'infraroig proper a mitjà d'infraroig, com ara diversos tipus de làsers de sal de plom basats en compostos de plom ternaris primerencs o compostos quaternaris, així com làsers a granel d'aïllants dopats comuns, diversos làsers de fibra i làsers de gas de diòxid de carboni. Espereu, aquí ens centrem en diverses tecnologies i productes del principi làser que es poden ajustar en una àmplia gamma de longituds d'ona des de l'infraroig proper fins a l'infraroig mitjà.

①Oscil·ladors paramètrics òptics, amplificadors i generadors (OPO i OPA)

En un sistema de conversió de freqüència no lineal, es pot utilitzar un làser d'infraroig proper, un oscil·lador paramètric òptic de bomba (OPO), un amplificador (OPA) o un generador (OPG) per generar llum ociosa a la regió espectral de l'infraroig mitjà, com ara:
En els làsers d'infraroig mitjà OPO de nanosegons, els làsers Q-switched es poden utilitzar com a fonts de bomba. Els materials cristal·lins comuns utilitzats per a aquestes aplicacions són el fosfur de zinc-germani (ZGP, ZnGeP2), el sulfur i el selenur de gal·li de plata (AgGaS2, AgGaSe2), el selenur de gal·li (GaSe) i el selenur de cadmi (CdSe).
Atès que molts d'aquests materials són opacs a la regió d'1 μm, sovint és necessari utilitzar OPO en sèrie: el primer OPO converteix la radiació làser d'1 μm en una longitud d'ona més llarga, que després s'utilitza per bombejar l'OPO real d'infraroig mitjà. El senyal i la freqüència inactiva d'aquest últim poden estar a la regió de l'espectre d'infraroig mitjà.
El làser Nd:YVO4 de picosegon bloquejat en mode de 1064 nm també es pot utilitzar per bombar de manera sincrònica els cristalls OPO i LiNbO3, permetent que la sortida de llum inactiva arribi a 4 μm o fins i tot 4,5 μm. La seva limitació de longitud d'ona és principalment superior a l'augment de l'absorció de llum ociosa a longituds d'ona llargues. Per tant, els OPO basats en aquest principi solen tenir un senyal de ressonància. Aquest dispositiu podria generar fàcilment polsos amb energia en desenes de mil·lijoules. La longitud d'ona de sortida es pot ajustar en centenars de nanòmetres.

②CWOPO

En comparació amb l'excitació del pols de l'OPO general, els productes tecnològics recents de CWOPO proporcionen làsers d'infraroig mitjà basats en el marc següent:

1) Làsers i amplificadors de fibra DFB;

2) Control làser de fibra DFB;

3) Part òptica i control OPO;
Aquest tipus de producte pot proporcionar una longitud d'ona de sortida ajustable contínuament en el rang d'infraroig mitjà de 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Al mateix temps, en comparació amb pols OPO, aquest tipus de producte pot proporcionar una amplada de línia excel·lent. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③ Làser de cascada quàntica

Els làsers de cascada quàntica són una direcció de desenvolupament relativament nova en el camp dels làsers de semiconductors.

La diferència entre els làsers de cascada quàntica i els primers làsers semiconductors d'infraroig mitjà basats en transicions entre bandes és que funciona basant-se en transicions entre subbandes.

Això permet als làsers de cascada quàntica dissenyar els detalls de l'estructura de la capa de semiconductors de manera que l'energia del foton de transició (i, per tant, la longitud d'ona) es pugui variar en un ampli rang. A més, alguns rangs de sintonització de longitud d'ona importants (de vegades superen el 10% de la longitud d'ona central) també es poden cobrir mitjançant dispositius de cavitat externa.

Tot i que actualment es requereix refrigeració criogènica per aconseguir un rendiment òptim, molts làsers de cascada quàntica encara es poden operar a temperatura ambient, fins i tot de manera contínua. Els làsers de cascada quàntica també es poden utilitzar per generar làsers polsats amb temps de pols fins i tot molt per sota d'1 ns, tot i que la potència màxima és bastant limitada.

Pel que fa a la potència, tot i que la seva potència de sortida pot arribar a 1 W mitjançant l'optimització, la potència de sortida d'aquest tipus de làser encara és inferior a la dels làsers infrarojos habituals. Perquè, en el camp dels làsers de cascada quàntica, que s'utilitzen principalment en espectroscòpia, els làsers de cascada quàntica es limiten a transicions amb menor energia fonònica.

Aquests són alguns paràmetres i tipus comuns:
Tub làser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tub làser DFB polsat 700 cm-1-2350 cm-1
Tub làser DFB refrigerat 645 cm-1-2370 cm-1

L'OPO (oscil·lador paramètric òptic) i la cascada quàntica són dues tecnologies que s'utilitzen habitualment en la generació de làser d'infraroig mitjà i tenen algunes diferències d'aplicació importants.

OPO (Optical Parametric Oscillator, oscil·lador òptic paramètric):

OPO és un dispositiu òptic no lineal que utilitza processos paramètrics en cristalls òptics o fibres òptiques no lineals per generar noves longituds d'ona, inclosa la banda d'infrarojos mitjans. OPO excita oscil·lacions paramètriques mitjançant una font de llum de bomba, on els materials no lineals de l'oscil·lador divideixen la llum de la bomba en llum de senyal i llum auxiliar. La longitud d'ona de la llum del senyal es pot ajustar al rang d'infrarojos mitjans, mentre que la llum auxiliar actua com a retroalimentació a la font de llum de la bomba. OPO té una alta eficiència de conversió i un ampli rang de sintonització de freqüències, de manera que s'utilitza àmpliament en la investigació i aplicacions del làser d'infrarojos mitjans.

Diferència d'aplicació: OPO és adequat per a aplicacions que requereixen sintonització de freqüència. Ajustant la freqüència de la llum de la bomba o les condicions de concordança de fase del cristall no lineal, es pot aconseguir una sortida làser ajustable contínuament en el rang d'infraroig mitjà. L'OPO es pot utilitzar en anàlisis espectrals, detecció de gasos, imatges biomèdiques i altres camps, i és especialment adequat per a aplicacions que requereixen anàlisis d'alta sensibilitat o imatges microscòpiques a la banda d'infrarojos mitjans.

Cascada quàntica:

El làser de cascada quàntica és un làser basat en una estructura de superretícula semiconductora que genera llum làser d'infrarojos mitjans mitjançant un procés de cascada quàntica. En un làser de cascada quàntica, els electrons alliberen energia a través d'un procés de transició pas a pas entre múltiples bandes d'energia, produint radiació d'infraroig mitjà sintonitzable contínuament.

Diferències d'aplicació: els làsers de cascada quàntica tenen una potència més gran i una amplada de línia espectral més estreta i són adequats per a la mesura espectral d'alta resolució, lidar, imatges infrarojes i altres camps. Els làsers de cascada quàntica també poden funcionar en entorns d'alta temperatura, de manera que són adequats per a aplicacions que requereixen làsers d'infraroig mitjà en condicions dures, com ara la inspecció industrial, el control ambiental, etc.

En resum, OPO s'utilitza principalment per a aplicacions amb sintonització d'alta freqüència, mentre que els làsers de cascada quàntica són més adequats per a una gran potència, una amplada de línia estreta i una temperatura elevada.

La comparació específica de les diferències de valor dels paràmetres varia segons el model de producte i el fabricant. Els següents són exemples d'algunes comparacions de paràmetres habituals:

——Ajustabilitat de la freqüència:

OPO: es pot aconseguir una sortida làser d'infraroig mitjà sintonitzable contínuament, amb un rang de freqüències generalment des de centenars de megahertz fins a diversos gigahertz o més.

Cascada quàntica: el rang de sintonització de freqüència és relativament estret, normalment de desenes a centenars de megahertz o més.

——Potència de sortida i eficiència:

OPO: la potència de sortida sol estar en el rang de diversos centenars de mil·liwatts a diversos watts, i l'eficiència de conversió pot arribar a més del 10%.

Cascada quàntica: la potència de sortida sol estar en el rang de desenes a centenars de mil·liwatts i l'eficiència de conversió pot arribar a més del 20%.

——Ample de línia espectral:

OPO: l'amplada de línia espectral és estreta, normalment en el rang de diversos gigahertz a desenes de megahertz.

Cascada quàntica: l'amplada de línia espectral és relativament àmplia, normalment en el rang de desenes de gigahertz a centenars de megahertz.

--Temperatura de funcionament:

OPO: normalment necessita treballar a una temperatura ambient més estable o propera a la temperatura ambient.

Cascada quàntica: pot funcionar a temperatures de funcionament més altes, normalment per sobre de la temperatura ambient, fins i tot fins a desenes de graus centígrads.

Cal tenir en compte que aquests valors són només de referència general i no representen els paràmetres específics de tots els productes comercials. Els paràmetres reals depenen del model de producte, dels avenços tecnològics i dels requisits de disseny i rendiment del fabricant. En seleccionar un producte comercial específic, el millor és consultar la fitxa d'especificacions del producte i la documentació tècnica proporcionada pel fabricant per obtenir informació precisa dels paràmetres.

④Font de llum supercontinu

Hi ha algunes fonts de llum basades en la generació de supercontinu que abasten una gran part de la banda d'infrarojos mitjans. Aquesta font de llum podria funcionar a partir de determinades fibres òptiques d'infraroig mitjà, a través de les quals s'envien polsos de llum intensos per crear fortes interaccions no lineals.

Si es requereix una llum d'amplada de línia estreta ajustable, es poden utilitzar filtres ajustables per extreure els components espectrals desitjats de la llum d'ampli espectre. En alguns casos, s'utilitza tot l'espectre. Un exemple és la tomografia de coherència òptica (OCT). Aquest procés sovint es realitza en bandes de longitud d'ona més curtes. Tanmateix, l'avantatge de la llum d'infraroig mitjà en aquesta aplicació és que la llum d'infraroig mitjà està menys dispersa. En comparació amb les bandes de longitud d'ona més curtes, té la capacitat de penetrar més profundament.

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), té una amplada de banda més ample, una major coherència espacial, direccionalitat i brillantor que els làsers tradicionals.

⑤Font de llum d'infrarojos mitjans micro

Actualment hi ha molts intents de desenvolupar circuits integrats fotònics per a aplicacions d'infraroig mitjà, com els basats en plataformes fotòniques de silici. Malauradament, no és fàcil implementar una font de llum d'infrarojos mitjans en un xip, la qual cosa ha portat a investigar molts mètodes possibles. Un exemple és la integració de fonts de llum en altres semiconductors, i tot i que això presenta dificultats tècniques, també hi ha exemples que impliquen la tecnologia d'enllaç flip-chip. Una altra possibilitat és integrar emissors de cos negre (→ radiació tèrmica) o materials luminiscents, encara que això no produeix una radiació espacialment coherent.

Hi ha altres mètodes basats en la conversió de freqüència no lineal, utilitzant la no linealitat de Kerr per a la barreja de quatre ones o la dispersió Raman estimulada. I amb microressonadors també es poden generar pintes de freqüència.

a més

A continuació es mostren algunes fonts de llum d'infrarojos mitjans que s'utilitzen amb menys freqüència. Com que no s'utilitzen àmpliament, aquí no es parlaran amb massa detall, com ara làsers d'electrons lliures i làsers de CO₂ amb freqüència duplicada.

A partir de l'anterior, la següent és una referència per a la comparació i selecció de diversos tipus de làser: