Közel-infravörös és közép-infravörös hangolható lézeres kiválasztási terv

Ez a cikk néhány szempontot és programjavaslatot kíván megvitatni a közeli infravörös és a középső infravörös fényforrások kiválasztásakor. Ez a cikk főként röviden bemutatja és összehasonlítja az optikai parametrikus oszcillátorok (OPO), az optikai parametrikus erősítők (OPA), a kvantumkaszkád lézerek és a szuperkontinuum fényforrások négy fő kategóriáját.

1. Különböző spektrális tartomány definíciók

Általánosságban elmondható, hogy amikor az emberek infravörös fényforrásokról beszélnek, akkor ~700–800 nm-nél (a látható hullámhossz-tartomány felső határa) nagyobb vákuumhullámú fényre gondolnak.

A fajlagos hullámhossz alsó határa nincs egyértelműen meghatározva ebben a leírásban, mivel az emberi szem infravörös érzékelése lassan csökken, nem pedig levág egy sziklánál.

Például a 700 nm-es fény válasza az emberi szemre már nagyon alacsony, de ha a fény elég erős, akkor az emberi szem még néhány 750 nm-nél nagyobb hullámhosszú lézerdióda által kibocsátott fényt is képes látni, ami infravöröst is tesz. a lézerek biztonsági kockázatot jelentenek. --Még ha emberi szemnek nem is túl fényes, tényleges ereje nagyon nagy lehet.

Hasonlóan, az infravörös fényforrás alsó határtartományához (700-800 nm) hasonlóan az infravörös fényforrás felső határdefiníciós tartománya is bizonytalan. Általánosságban elmondható, hogy körülbelül 1 mm.

Íme néhány általános definíció az infravörös sávra:

——Közeli infravörös spektrális régió (más néven IR-A), tartomány ~750-1400 nm.
Az ebben a hullámhossz-tartományban kibocsátott lézerek ki vannak téve a zajnak és az emberi szem biztonsági problémáinak, mivel az emberi szem fókuszálási funkciója kompatibilis a közeli infravörös és látható fénytartományokkal, így a közeli infravörös sávos fényforrás továbbítható és fókuszálható a érzékeny retina ugyanúgy, de a közeli infravörös sáv fénye Nem váltja ki a védő pislogási reflexet. Ennek eredményeként az emberi szem retináját az érzéketlenség miatti túlzott energia károsítja. Ezért az ebben a sávban lévő fényforrások használatakor teljes figyelmet kell fordítani a szem védelmére.

——Rövid hullámhosszú infravörös (SWIR, IR-B) tartomány: 1.4-3 μm.
Ez a terület viszonylag biztonságos a szem számára, mivel ezt a fényt a szem elnyeli, mielőtt elérné a retinát. Például az optikai kommunikációban használt erbiummal adalékolt szálerősítők működnek ebben a régióban.
——A középhullámú infravörös (MWIR) tartománya 3-8 μm.
A légkör a régió egyes részein erős felszívódást mutat; sok légköri gáznak ebben a sávban lesz abszorpciós vonala, mint például a szén-dioxid (CO2) és a vízgőz (H2O). Azért is, mert sok gáz erős abszorpciót mutat ebben a sávban. Az erős abszorpciós jellemzők miatt ezt a spektrális tartományt széles körben használják gázérzékelésre a légkörben.

——A hosszú hullámú infravörös (LWIR) tartomány 8-15 μm.
——A következő a távoli infravörös (FIR), amely 15 μm-1 mm-ig terjed (de vannak 50 μm-től kezdődő definíciók is, lásd ISO 20473). Ezt a spektrális régiót elsősorban hőképalkotáshoz használják.
Ennek a cikknek az a célja, hogy megvitassa a közeli infravörös és a középső infravörös fényforrásokkal rendelkező szélessávú hangolható hullámhosszú lézerek kiválasztását, amelyek magukban foglalhatják a fenti rövid hullámhosszú infravörös fényforrásokat (SWIR, IR-B, 1.4-3 μm-től). és a középhullámú infravörös egy része (MWIR, hatótávolság 3-8 μm).

2.Tipikus alkalmazás

A fényforrások tipikus alkalmazása ebben a sávban a lézer abszorpciós spektrumainak azonosítása nyomgázokban (pl. távérzékelés az orvosi diagnosztikában és a környezeti monitorozásban). Itt az elemzés a közép-infravörös spektrális régióban számos molekula erős és jellegzetes abszorpciós sávját használja ki, amelyek "molekuláris ujjlenyomatként" szolgálnak. Bár ezeknek a molekuláknak egy része a közeli infravörös tartományban pán-abszorpciós vonalakon keresztül is tanulmányozható, mivel a közeli infravörös lézerforrások könnyebben elkészíthetők, előnyei vannak az erős alapabszorpciós vonalak használatának a középső infravörös régióban, nagyobb érzékenységgel. .

A középső infravörös képalkotásnál szintén ebben a sávban használnak fényforrásokat. Az emberek általában kihasználják azt a tényt, hogy a középső infravörös fény mélyebben behatol az anyagokba, és kisebb a szórás. Például a megfelelő hiperspektrális képalkotó alkalmazásokban a közeli infravöröstől a közép-infravörösig minden képponthoz (vagy voxelhez) spektrális információt szolgáltathat.

A közép-infravörös lézerforrások, például a szálas lézerek folyamatos fejlesztésének köszönhetően a nem fémes lézeres anyagok feldolgozásának alkalmazásai egyre praktikusabbakká válnak. Az emberek általában kihasználják az infravörös fény erős elnyelését bizonyos anyagok, például polimer fóliák által az anyagok szelektív eltávolítására.

Tipikus eset, hogy az elektronikus és optoelektronikai eszközök elektródáihoz használt indium-ón-oxid (ITO) átlátszó vezetőképes fóliákat szelektív lézeres ablációval kell strukturálni. Egy másik példa az optikai szálak bevonatainak pontos eltávolítása. Az ezen a sávon az ilyen alkalmazásokhoz szükséges teljesítményszintek általában sokkal alacsonyabbak, mint az olyan alkalmazásokhoz, mint például a lézervágás.

A közeli infravörös és a középső infravörös fényforrásokat a katonaság is használja irányított infravörös ellenintézkedésekre a hőt kereső rakéták ellen. Az infravörös kamerák elvakítására alkalmas nagyobb kimeneti teljesítmény mellett a légköri átviteli sávon belüli széles spektrális lefedettség (körülbelül 3-4 μm és 8-13 μm) is szükséges, hogy az egyszerű hornyolt szűrők ne védjék az infravörös detektorokat.

A fent leírt atmoszférikus átviteli ablak szabad térbeli optikai kommunikációra is használható irányított nyalábokon keresztül, és erre a célra számos alkalmazásban alkalmaznak kvantumkaszkád lézereket.

Egyes esetekben közép-infravörös ultrarövid impulzusokra van szükség. Például használhatunk közép-infravörös frekvenciájú fésűket a lézerspektroszkópiában, vagy kihasználhatjuk az ultrarövid impulzusok magas csúcsintenzitását a lézerezéshez. Ez egy üzemmód zárt lézerrel generálható.

Különösen a közeli infravörös és a középső infravörös fényforrások esetében bizonyos alkalmazások speciális követelményeket támasztanak a hullámhossz pásztázása vagy a hullámhossz hangolhatósága tekintetében, és ezekben az alkalmazásokban rendkívül fontos szerepet játszanak a közeli infravöröstől a közepes infravörösig terjedő hullámhosszú hangolható lézerek.

Például a spektroszkópiában a közép-infravörös hangolható lézerek nélkülözhetetlen eszközök, legyen szó gázérzékelésről, környezeti megfigyelésről vagy kémiai elemzésről. A tudósok úgy állítják be a lézer hullámhosszát, hogy pontosan a középső infravörös tartományba pozícionálják, hogy felismerjék a specifikus molekuláris abszorpciós vonalakat. Ily módon részletes információkat szerezhetnek az anyag összetételéről és tulajdonságairól, például feltörhetnek egy titkokkal teli kódkönyvet.

Az orvosi képalkotás területén a közép-infravörös hangolható lézerek is fontos szerepet töltenek be. Széles körben használják a non-invazív diagnosztikai és képalkotó technológiákban. A lézer hullámhosszának precíz hangolásával a középső infravörös fény behatol a biológiai szövetekbe, ami nagy felbontású képeket eredményez. Ez fontos a betegségek és rendellenességek felismeréséhez és diagnosztizálásához, mint egy varázslatos fény, amely az emberi test belső titkaiba pillant.

A védelem és biztonság területe szintén elválaszthatatlan a közép-infravörös hangolható lézerek alkalmazásától. Ezek a lézerek kulcsszerepet játszanak az infravörös ellenintézkedésekben, különösen a hőkereső rakéták ellen. Például a Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) képes megvédeni a repülőgépeket a rakéták nyomon követésétől és támadásától. A lézer hullámhosszának gyors beállításával ezek a rendszerek megzavarhatják a beérkező rakéták irányítórendszerét, és azonnal megfordíthatják a csata dagályát, akár egy varázskard, amely az eget őrzi.

A távérzékelési technológia a Föld megfigyelésének és megfigyelésének fontos eszköze, amelyben az infravörös hangolható lézerek kulcsszerepet játszanak. Az olyan területek, mint a környezeti megfigyelés, a légkörkutatás és a Föld-megfigyelés, mind e lézerek használatán alapulnak. A közép-infravörös hangolható lézerek segítségével a tudósok megmérhetik a gázok meghatározott abszorpciós vonalait a légkörben, értékes adatokat szolgáltatva ezzel az éghajlatkutatáshoz, a szennyezés megfigyeléséhez és az időjárás-előrejelzéshez, mint egy varázstükör, amely a természet titkaiba lát.

Ipari környezetben a közép-infravörös hangolható lézereket széles körben használják precíziós anyagfeldolgozásra. Azáltal, hogy a lézereket bizonyos anyagok által erősen elnyelt hullámhosszokra hangolják, lehetővé teszik a szelektív ablációt, vágást vagy hegesztést. Ez lehetővé teszi a precíziós gyártást olyan területeken, mint az elektronika, a félvezetők és a mikromegmunkálás. A közép-infravörös hangolható lézer olyan, mint egy finomra csiszolt faragó kés, amely lehetővé teszi az ipar számára, hogy finoman faragott termékeket faragjon ki, és megmutassa a technológia ragyogását.

3. Közel-infravörös és közép-infravörös hangolható lézeres terméktípusok és kiválasztási jellemzők

Számos technológia képes közel-infravörös és közép-infravörös lézerek előállítására, ilyenek például a korai háromkomponensű ólomvegyületeken vagy kvaterner vegyületeken alapuló különféle típusú ólomsólézerek, valamint az elterjedt adalékolt szigetelő ömlesztett lézerek, különféle szálas lézerek és szén-dioxid gázlézerek. Várjon, itt több lézerelvű technológiára és termékre összpontosítunk, amelyek a közeli infravöröstől a közép-infravörösig sokféle hullámhosszra hangolhatók.

①Optikai parametrikus oszcillátorok, erősítők és generátorok (OPO és OPA)

A nemlineáris frekvenciakonverziós rendszerben közel infravörös lézer, pumpás optikai parametrikus oszcillátor (OPO), erősítő (OPA) vagy generátor (OPG) használható üresjárati fény előállítására a középső infravörös spektrális tartományban, például:
A nanoszekundumos OPO közép-infravörös lézerekben a Q-kapcsolt lézerek pumpás forrásként használhatók. Az ilyen alkalmazásokhoz használt általános kristályos anyagok a cink-germánium-foszfid (ZGP, ZnGeP2), az ezüst-gallium-szulfid és -szelenid (AgGaS2, AgGaSe2), a gallium-szelenid (GaSe) és a kadmium-szelenid (CdSe).
Mivel ezen anyagok közül sok átlátszatlan az 1 μm-es tartományban, gyakran szükséges az OPO-k sorba kapcsolása: az első OPO az 1 μm-es lézersugárzást hosszabb hullámhosszúvá alakítja, amelyet aztán a tényleges közép-infravörös OPO pumpálására használnak. Ez utóbbi jele és üresjárati frekvenciája egyaránt a középső infravörös spektrum tartományában lehet.
Az 1064 nm-es móddal zárható pikoszekundumos Nd:YVO4 lézer OPO és LiNbO3 kristályok szinkron szivattyúzására is használható, így az üresjárati fénykibocsátás elérheti a 4 μm-t vagy akár a 4,5 μm-t is. Hullámhossz-korlátozása főként jobb, mint az üresjárati fényelnyelés növelése hosszú hullámhosszokon. Ezért az ezen az elven alapuló OPO-k általában rendelkeznek rezonanciajellel. Egy ilyen eszköz könnyedén generálhat impulzusokat tíz millijoules energiával. A kimeneti hullámhossz több száz nanométerre hangolható.

②CWOPO

Összehasonlítva az általános OPO impulzusgerjesztésével, a legújabb CWOPO technológiai termékek a következő keretrendszeren alapuló közép-infravörös lézereket biztosítanak:

1) DFB szálas lézerek és erősítők;

2) DFB szálas lézervezérlés;

3) OPO optikai rész és vezérlés;
Ez a terméktípus folyamatosan állítható kimeneti hullámhosszt tud biztosítani a középső infravörös 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1) tartományban. Ugyanakkor az impulzusos OPO-hoz képest ez a fajta termék kiváló vonalszélességet biztosít. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③ Kvantum kaszkád lézer

A kvantumkaszkádlézerek viszonylag új fejlesztési irányt jelentenek a félvezető lézerek területén.

A különbség a kvantumkaszkád lézerek és a korai közép-infravörös félvezető lézerek között, amelyek a sávok közötti átmeneteken alapulnak, hogy a részsávok közötti átmeneteken alapulnak.

Ez lehetővé teszi a kvantumkaszkád lézerek számára, hogy megtervezzék a félvezető réteg szerkezetének részleteit, így az átmeneti foton energiája (és így a hullámhossz) széles tartományban változtatható. Ezenkívül néhány fontos hullámhossz-hangolási tartomány (néha meghaladja a központi hullámhossz 10%-át) külső üreges eszközökön keresztül is lefedhető.

Bár jelenleg kriogén hűtésre van szükség az optimális teljesítmény eléréséhez, sok kvantumkaszkádlézer továbbra is üzemeltethető szobahőmérsékleten, akár folyamatosan is. A kvantumkaszkád lézerekkel olyan impulzuslézereket is lehet előállítani, amelyek impulzusideje jóval 1 ns alatt van, bár a csúcsteljesítmény meglehetősen korlátozott.

Ami a teljesítményt illeti, bár a kimenő teljesítménye az optimalizálás révén elérheti az 1 W-ot is, ennek a lézertípusnak a kimenő teljesítménye még mindig alacsonyabb, mint a hagyományos infravörös lézereké. Mivel a kvantumkaszkádlézerek területén, amelyeket elsősorban a spektroszkópiában használnak, a kvantumkaszkádlézerek az alacsonyabb fononenergiájú átmenetekre korlátozódnak.

Íme néhány általános paraméter és típus:
CW-DFB lézercső 800 cm-1-2320 cm-1
Impulzusos DFB lézercső 700 cm-1-2350 cm-1
Hűtött DFB lézercső 645 cm-1-2370 cm-1

Az OPO (optikai parametrikus oszcillátor) és a kvantumkaszkád két általánosan használt technológia a közép-infravörös lézergenerálásban, és jelentős alkalmazási különbségekkel rendelkeznek.

OPO (optikai paraméteres oszcillátor, optikai parametrikus oszcillátor):

Az OPO egy nemlineáris optikai eszköz, amely paraméteres folyamatokat használ nemlineáris optikai kristályokban vagy optikai szálakban új hullámhosszok generálására, beleértve a középső infravörös sávot is. Az OPO paraméteres oszcillációkat gerjeszt egy pumpás fényforráson keresztül, ahol az oszcillátorban lévő nemlineáris anyagok a szivattyú fényét jelzőfényre és segédfényre osztják. A jelfény hullámhossza a középső infravörös tartományra hangolható, míg a segédfény visszacsatolásként működik a pumpa fényforrása felé. Az OPO magas konverziós hatékonysággal és széles frekvencia-hangolási tartománysal rendelkezik, ezért széles körben használják a közép-infravörös lézeres kutatásokban és alkalmazásokban.

Alkalmazási különbségek: Az OPO alkalmas a frekvencia hangolhatóságát igénylő alkalmazásokhoz. A szivattyú fényének frekvenciájának vagy a nemlineáris kristály fázisillesztési feltételeinek beállításával a közép-infravörös tartományban folyamatosan hangolható lézerkimenet érhető el. Az OPO használható spektrális elemzésben, gázdetektálásban, orvosbiológiai képalkotásban és más területeken, és különösen alkalmas olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy érzékenységű elemzést vagy mikroszkópos képalkotást igényelnek a középső infravörös sávban.

Kvantum kaszkád:

A kvantumkaszkád lézer egy félvezető szuperrács szerkezeten alapuló lézer, amely egy kvantumkaszkád eljárással középső infravörös lézerfényt hoz létre. A kvantumkaszkád lézerben az elektronok több energiasáv közötti, lépésről lépésre történő átmenet során szabadítanak fel energiát, folyamatosan hangolható közép-infravörös sugárzást hozva létre.

Alkalmazási különbségek: A kvantumkaszkád lézerek nagyobb teljesítményűek és keskenyebb spektrális vonalszélességgel rendelkeznek, és alkalmasak nagy felbontású spektrummérésre, lidar, infravörös képalkotásra és egyéb területekre. A kvantumkaszkád lézerek magas hőmérsékletű környezetben is működhetnek, így olyan alkalmazásokhoz is alkalmasak, amelyek zord körülmények között közép-infravörös lézert igényelnek, mint például ipari ellenőrzés, környezeti megfigyelés stb.

Összefoglalva, az OPO-t elsősorban nagyfrekvenciás hangolhatóságú alkalmazásokhoz használják, míg a kvantumkaszkád lézerek alkalmasabbak nagy teljesítményre, szűk vonalszélességre és magas hőmérsékletre.

A paraméterérték-különbségek konkrét összehasonlítása termékmodellenként és gyártónként eltérő. Az alábbiakban néhány általános paraméter-összehasonlítás látható:

– Frekvencia hangolhatóság:

OPO: Folyamatosan hangolható közép-infravörös lézerkimenet érhető el, általában több száz megahertztől több gigahertzig vagy annál szélesebb frekvenciatartományban.

Kvantum-kaszkád: A frekvencia hangolási tartománya viszonylag szűk, általában több tíz-száz megahertz vagy szűkebb.

-- Kimeneti teljesítmény és hatásfok:

OPO: A kimenő teljesítmény általában több száz milliwatt és több watt közötti tartományban van, és az átalakítási hatásfok elérheti a 10%-ot is.

Kvantum kaszkád: A kimenő teljesítmény általában tíz és több száz milliwatt tartományba esik, és az átalakítási hatásfok elérheti a 20%-ot is.

—— Spektrális vonalszélesség:

OPO: A spektrális vonalszélesség szűk, általában több gigahertz és több tíz megahertz közötti tartományba esik.

Kvantumkaszkád: A spektrális vonalszélesség viszonylag széles, általában tíz gigahertz és több száz megahertz tartományba esik.

--Üzemi hőmérséklet:

OPO: Általában stabilabb szobahőmérsékleten vagy ahhoz közeli hőmérsékleten kell működnie.

Kvantumkaszkád: Magasabb üzemi hőmérsékleten, általában szobahőmérséklet felett, akár több tíz Celsius fokig is működik.

Meg kell jegyezni, hogy ezek az értékek csak általános referenciaként szolgálnak, és nem jelentik az összes kereskedelmi termék specifikus paramétereit. A tényleges paraméterek a termékmodelltől, a technológiai fejlődéstől, valamint a gyártó tervezési és teljesítménykövetelményeitől függenek. Konkrét kereskedelmi termék kiválasztásakor célszerű a pontos paraméterinformációkért a gyártó által biztosított termékleírási lapon és műszaki dokumentációban tájékozódni.

④Szuperkontinuális fényforrás

Vannak olyan szuperkontinuumgeneráláson alapuló fényforrások, amelyek a középső infravörös sáv nagy részét fedik le. Egy ilyen fényforrás működhet bizonyos középső infravörös optikai szálak alapján, amelyeken keresztül intenzív fényimpulzusokat küldenek erős nemlineáris kölcsönhatások létrehozására.

Ha hangolható keskeny vonalszélességű fényre van szükség, hangolható szűrők segítségével kinyerhetjük a kívánt spektrális komponenseket a széles spektrumú fényből. Egyes esetekben a teljes spektrumot kihasználják. Ilyen például az optikai koherencia tomográfia (OCT). Ezt a folyamatot gyakran rövidebb hullámhosszúságú sávokon hajtják végre. A középső infravörös fény előnye azonban ebben az alkalmazásban, hogy a középső infravörös fény kevésbé szóródik. A rövidebb hullámhosszúságú sávokhoz képest képes mélyebbre hatolni.

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), szélesebb a sávszélessége, nagyobb a térbeli koherenciája, irányítottsága és fényereje, mint a hagyományos lézereknek.

⑤Mikro közép-infravörös fényforrás

Jelenleg sok kísérlet folyik fotonikus integrált áramkörök fejlesztésére közép-infravörös alkalmazásokhoz, például szilícium fotonikai platformokon alapulókhoz. Sajnos nem könnyű egy közép-infravörös fényforrást chipen megvalósítani, ami számos lehetséges módszer kutatásához vezetett. Az egyik példa a fényforrások más félvezetőkbe való integrálása, és bár ez technikai nehézségeket okoz, vannak példák a flip-chip kötési technológiára is. Egy másik lehetőség feketetest-sugárzók (→ hősugárzás) vagy lumineszcens anyagok integrálása, bár ez nem eredményez térben koherens sugárzást.

Vannak más nemlineáris frekvenciakonverzión alapuló módszerek is, amelyek Kerr nemlinearitást használnak négyhullámú keveréshez vagy stimulált Raman-szóráshoz. Mikrorezonátorok segítségével pedig frekvenciafésűk is előállíthatók.

kívül

Az alábbiakban bemutatunk néhány ritkábban használt középső infravörös fényforrást. Mivel nem használják őket széles körben, itt nem tárgyaljuk őket túlságosan részletesen, mint például a szabad elektron lézerek és a frekvencia-duplázott CO₂ lézerek.

A fentiek alapján a következő referencia a különböző lézertípusok összehasonlításához és kiválasztásához: