Nabij-infrarood tot midden-infrarood afstembaar laserselectieplan

Dit artikel is bedoeld om enkele overwegingen en programmasuggesties te bespreken bij het selecteren van nabij-infrarood- tot midden-infraroodlichtbronnen. Dit artikel introduceert en vergelijkt hoofdzakelijk de vier belangrijkste categorieën optische parametrische oscillatoren (OPO), optische parametrische versterkers (OPA), kwantumcascadelasers en supercontinuümlichtbronnen.

1. Verschillende definities van het spectrale bereik

Als mensen het over infraroodlichtbronnen hebben, bedoelen ze over het algemeen licht met vacuümgolflengten groter dan ~700-800 nm (de bovengrens van het zichtbare golflengtebereik).

De specifieke ondergrens van de golflengte wordt in deze beschrijving niet duidelijk gedefinieerd, omdat de perceptie van infrarood door het menselijk oog langzaam afneemt in plaats van af te snijden op een klif.

De respons van licht op 700 nm op het menselijk oog is bijvoorbeeld al erg laag, maar als het licht sterk genoeg is, kan het menselijk oog zelfs het licht zien dat wordt uitgezonden door sommige laserdiodes met een golflengte groter dan 750 nm, waardoor ook infrarood lasers vormen een veiligheidsrisico. --Zelfs als het niet erg helder is voor het menselijk oog, kan het werkelijke vermogen erg hoog zijn.

Op dezelfde manier is, net als het ondergrensbereik van de infraroodlichtbron (700 ~ 800 nm), ook het bovengrensdefinitiebereik van de infraroodlichtbron onzeker. Over het algemeen is dit ongeveer 1 mm.

Hier zijn enkele veel voorkomende definities van de infraroodband:

——Nabij-infrarood spectraal gebied (ook wel IR-A genoemd), bereik ~750-1400 nm.
Lasers die in dit golflengtegebied worden uitgezonden, zijn gevoelig voor problemen met lawaai en de veiligheid van het menselijk oog, omdat de focusfunctie voor het menselijk oog compatibel is met het nabij-infrarode en zichtbare lichtbereik, zodat de nabij-infraroodbandlichtbron kan worden verzonden en gefocust op de gevoelige netvlies op dezelfde manier, maar het nabij-infraroodbandlicht activeert niet de beschermende knipperreflex. Als gevolg hiervan wordt het netvlies van het menselijk oog beschadigd door overmatige energie als gevolg van ongevoeligheid. Daarom moet bij gebruik van lichtbronnen in deze band de volledige aandacht worden besteed aan oogbescherming.

——Korte golflengte-infraroodbereik (SWIR, IR-B) van 1,4-3 μm.
Dit gebied is relatief veilig voor de ogen, omdat dit licht door het oog wordt geabsorbeerd voordat het het netvlies bereikt. Erbium-gedoteerde vezelversterkers die worden gebruikt in glasvezelcommunicatie werken bijvoorbeeld in deze regio.
——Middengolf-infraroodbereik (MWIR) is 3-8 μm.
De atmosfeer vertoont sterke absorptie in delen van de regio; veel atmosferische gassen hebben absorptielijnen in deze band, zoals kooldioxide (CO2) en waterdamp (H2O). Ook omdat veel gassen een sterke absorptie in deze band vertonen. Dankzij de sterke absorptie-eigenschappen wordt dit spectrale gebied veel gebruikt voor gasdetectie in de atmosfeer.

——Het langegolf-infraroodbereik (LWIR) is 8-15 μm.
——Het volgende is ver-infrarood (FIR), dat varieert van 15 μm-1 mm (maar er zijn ook definities vanaf 50 μm, zie ISO 20473). Dit spectrale gebied wordt voornamelijk gebruikt voor thermische beeldvorming.
Dit artikel heeft tot doel de selectie van breedbandlasers met afstembare golflengte te bespreken met nabij-infrarode tot midden-infrarode lichtbronnen, waaronder mogelijk het bovengenoemde kortegolf-infrarood (SWIR, IR-B, variërend van 1,4-3 μm) en een deel van het middengolf-infrarood (MWIR, bereik is 3-8 μm).

2. Typische toepassing

Een typische toepassing van lichtbronnen in deze band is de identificatie van laserabsorptiespectra in sporengassen (bijvoorbeeld teledetectie bij medische diagnoses en omgevingsmonitoring). Hier maakt de analyse gebruik van de sterke en karakteristieke absorptiebanden van veel moleculen in het midden-infrarode spectrale gebied, die dienen als "moleculaire vingerafdrukken". Hoewel men sommige van deze moleculen ook kan bestuderen via pan-absorptielijnen in het nabij-infraroodgebied, zijn er, aangezien nabij-infraroodlaserbronnen gemakkelijker te bereiden zijn, voordelen aan het gebruik van sterke fundamentele absorptielijnen in het midden-infraroodgebied met een hogere gevoeligheid. .

Bij midden-infraroodbeeldvorming worden ook lichtbronnen in deze band gebruikt. Mensen profiteren meestal van het feit dat midden-infraroodlicht dieper in materialen kan doordringen en minder verstrooiing kent. In overeenkomstige hyperspectrale beeldvormingstoepassingen kan bijvoorbeeld nabij-infrarood tot midden-infrarood spectrale informatie verschaffen voor elke pixel (of voxel).

Door de voortdurende ontwikkeling van midden-infraroodlaserbronnen, zoals fiberlasers, worden toepassingen voor de verwerking van niet-metalen lasermaterialen steeds praktischer. Meestal maken mensen gebruik van de sterke absorptie van infrarood licht door bepaalde materialen, zoals polymeerfilms, om materialen selectief te verwijderen.

Een typisch geval is dat transparante geleidende films van indiumtinoxide (ITO) die worden gebruikt voor elektroden in elektronische en opto-elektronische apparaten, moeten worden gestructureerd door selectieve laserablatie. Een ander voorbeeld is het nauwkeurig strippen van coatings op optische vezels. De voor dergelijke toepassingen vereiste vermogensniveaus in deze band zijn doorgaans veel lager dan die vereist voor toepassingen zoals lasersnijden.

Nabij-infrarood- tot midden-infraroodlichtbronnen worden ook door het leger gebruikt voor gerichte infrarood-tegenmaatregelen tegen hittezoekende raketten. Naast een hoger uitgangsvermogen dat geschikt is voor het verblinden van infraroodcamera's, is ook een brede spectrale dekking binnen de atmosferische transmissieband (rond 3-4 μm en 8-13 μm) vereist om te voorkomen dat eenvoudige gekerfde filters infrarooddetectoren beschermen.

Het hierboven beschreven atmosferische transmissievenster kan ook worden gebruikt voor optische communicatie in de vrije ruimte via gerichte bundels, en voor dit doel worden in veel toepassingen kwantumcascadelasers gebruikt.

In sommige gevallen zijn ultrakorte pulsen in het midden-infrarood nodig. Men zou bijvoorbeeld midden-infrarood frequentiekammen kunnen gebruiken bij laserspectroscopie, of de hoge piekintensiteiten van ultrakorte pulsen kunnen benutten voor laserwerking. Dit kan worden gegenereerd met een mode-locked laser.

Met name voor nabij-infrarode tot midden-infrarode lichtbronnen stellen sommige toepassingen speciale eisen aan het scannen van golflengten of de afstembaarheid van de golflengte, en afstembare lasers van nabij-infrarode tot midden-infrarode golflengte spelen ook een uiterst belangrijke rol in deze toepassingen.

Bij spectroscopie zijn afstembare midden-infraroodlasers bijvoorbeeld essentiële hulpmiddelen, of het nu gaat om gasdetectie, omgevingsmonitoring of chemische analyse. Wetenschappers passen de golflengte van de laser aan om deze nauwkeurig in het midden-infraroodbereik te positioneren en specifieke moleculaire absorptielijnen te detecteren. Op deze manier kunnen ze gedetailleerde informatie verkrijgen over de samenstelling en eigenschappen van materie, zoals het kraken van een codeboek vol geheimen.

Op het gebied van medische beeldvorming spelen afstembare midden-infraroodlasers ook een belangrijke rol. Ze worden veel gebruikt in niet-invasieve diagnostische en beeldvormingstechnologieën. Door de golflengte van de laser nauwkeurig af te stemmen, kan midden-infraroodlicht biologisch weefsel binnendringen, wat resulteert in beelden met een hoge resolutie. Dit is belangrijk voor het opsporen en diagnosticeren van ziekten en afwijkingen, zoals een magisch licht dat in de innerlijke geheimen van het menselijk lichaam tuurt.

Het terrein van defensie en veiligheid is ook onlosmakelijk verbonden met de toepassing van afstembare midden-infraroodlasers. Deze lasers spelen een sleutelrol bij infrarood-tegenmaatregelen, vooral tegen hittezoekende raketten. Het Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) kan bijvoorbeeld vliegtuigen beschermen tegen gevolgd en aangevallen door raketten. Door de golflengte van de laser snel aan te passen, kunnen deze systemen het geleidingssysteem van binnenkomende raketten verstoren en onmiddellijk het tij van de strijd keren, als een magisch zwaard dat de lucht bewaakt.

Teledetectietechnologie is een belangrijk middel om de aarde te observeren en te monitoren, waarbij infrarode afstembare lasers een sleutelrol spelen. Velden zoals milieumonitoring, atmosferisch onderzoek en aardobservatie zijn allemaal afhankelijk van het gebruik van deze lasers. Met mid-infrarood afstembare lasers kunnen wetenschappers specifieke absorptielijnen van gassen in de atmosfeer meten, wat waardevolle gegevens oplevert ter ondersteuning van klimaatonderzoek, monitoring van vervuiling en weersvoorspellingen, zoals een magische spiegel die de mysteries van de natuur kan doorzien.

In industriële omgevingen worden afstembare midden-infraroodlasers veel gebruikt voor nauwkeurige materiaalverwerking. Door lasers af te stemmen op golflengten die sterk worden geabsorbeerd door bepaalde materialen, maken ze selectieve ablatie, snijden of lassen mogelijk. Dit maakt precisieproductie mogelijk op gebieden zoals elektronica, halfgeleiders en microbewerking. De afstembare midden-infraroodlaser is als een fijn gepolijst vleesmes, waardoor de industrie fijn gesneden producten kan uitsnijden en de schittering van de technologie kan laten zien.

3. Nabij-infrarood tot midden-infrarood afstembare laserproducttypen en selectiekenmerken

Veel technologieën kunnen nabij-infrarood- tot midden-infraroodlasers produceren, zoals verschillende soorten loodzoutlasers op basis van vroege ternaire loodverbindingen of quaternaire verbindingen, evenals gewone gedoteerde isolator-bulklasers, verschillende vezellasers en koolstofdioxidegaslasers. Wacht, hier concentreren we ons op verschillende laserprincipetechnologieën en -producten die kunnen worden afgestemd op een breed scala aan golflengten, van nabij-infrarood tot midden-infrarood.

①Optische parametrische oscillatoren, versterkers en generatoren (OPO en OPA)

In een niet-lineair frequentieconversiesysteem kan een nabij-infraroodlaser, een optische parametrische oscillator (OPO), een versterker (OPA) of een generator (OPG) worden gebruikt om stationair licht te genereren in het midden-infrarode spectrale gebied, zoals:
In OPO midden-infraroodlasers van nanoseconden kunnen Q-geschakelde lasers worden gebruikt als pompbronnen. Veel voorkomende kristallijne materialen die voor dergelijke toepassingen worden gebruikt, zijn zinkgermaniumfosfide (ZGP, ZnGeP2), zilvergalliumsulfide en selenide (AgGaS2, AgGaSe2), galliumselenide (GaSe) en cadmiumselenide (CdSe).
Omdat veel van deze materialen ondoorzichtig zijn in het gebied van 1 μm, is het vaak nodig om OPO's in serie te gebruiken: de eerste OPO zet de laserstraling van 1 μm om naar een langere golflengte, die vervolgens wordt gebruikt om de eigenlijke midden-infrarode OPO te pompen. Het signaal en de inactieve frequentie van laatstgenoemde kunnen zich beide in het midden-infraroodspectrumgebied bevinden.
De 1064 nm mode-locked picoseconde Nd:YVO4-laser kan ook worden gebruikt om OPO- en LiNbO3-kristallen synchroon te pompen, waardoor de lichtopbrengst bij stationair draaien 4 μm of zelfs 4,5 μm kan bereiken. De golflengtebeperking is hoofdzakelijk superieur aan de toenemende absorptie van leeg licht bij lange golflengten. Daarom hebben OPO's die op dit principe zijn gebaseerd meestal een resonantiesignaal. Zo'n apparaat zou gemakkelijk pulsen kunnen genereren met een energie van tientallen millijoules. De uitgangsgolflengte is instelbaar over honderden nanometers.

②CWOPO

Vergeleken met de pulsexcitatie van algemene OPO, bieden recente CWOPO-technologieproducten midden-infraroodlasers op basis van het volgende raamwerk:

1) DFB-fiberlasers en versterkers;

2) DFB-vezellaserbesturing;

3) OPO optisch onderdeel en besturing;
Dit type product kan een continu instelbare uitgangsgolflengte leveren in het midden-infraroodbereik van 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Tegelijkertijd kan dit type product, vergeleken met pulse-OPO, een uitstekende lijnbreedte bieden. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Quantumcascadelaser

Kwantumcascadelasers zijn een relatief nieuwe ontwikkelingsrichting op het gebied van halfgeleiderlasers.

Het verschil tussen kwantumcascadelasers en vroege midden-infrarood halfgeleiderlasers op basis van interbandovergangen is dat deze werken op basis van intersubbandovergangen.

Hierdoor kunnen kwantumcascadelasers de details van de structuur van de halfgeleiderlaag zodanig manipuleren dat de energie van de overgangsfotonen (en dus de golflengte) over een breed bereik kan worden gevarieerd. Bovendien kunnen enkele belangrijke golflengteafstemmingsbereiken (soms meer dan 10% van de centrale golflengte) ook worden bestreken via externe holte-apparaten.

Hoewel cryogene koeling momenteel vereist is om optimale prestaties te bereiken, kunnen veel kwantumcascadelasers nog steeds bij kamertemperatuur worden gebruikt, zelfs continu. Kwantumcascadelasers kunnen ook worden gebruikt om gepulseerde lasers te genereren met pulstijden zelfs ruim onder 1 ns, hoewel het piekvermogen vrij beperkt is.

In termen van vermogen is het uitgangsvermogen van dit type laser, hoewel het uitgangsvermogen door optimalisatie 1 W kan bereiken, nog steeds lager dan dat van gewone infraroodlasers. Omdat op het gebied van kwantumcascadelasers, die voornamelijk in de spectroscopie worden gebruikt, kwantumcascadelasers beperkt zijn tot overgangen met lagere fononenergie.

Hier volgen enkele veelvoorkomende parameters en typen:
CW-DFB laserbuis 800 cm-1-2320 cm-1
Gepulseerde DFB-laserbuis 700 cm-1-2350 cm-1
Gekoelde DFB-laserbuis 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (optische parametrische oscillator) en kwantumcascade zijn twee veelgebruikte technologieën bij het genereren van midden-infraroodlasers, en ze hebben enkele aanzienlijke toepassingsverschillen.

OPO (Optische Parametrische Oscillator, optische parametrische oscillator):

OPO is een niet-lineair optisch apparaat dat parametrische processen in niet-lineaire optische kristallen of optische vezels gebruikt om nieuwe golflengten te genereren, inclusief de midden-infraroodband. OPO wekt parametrische oscillaties op via een pomplichtbron, waarbij niet-lineaire materialen in de oscillator het pomplicht splitsen in signaallicht en hulplicht. De signaallichtgolflengte kan worden afgestemd op het midden-infraroodbereik, terwijl het hulplicht fungeert als feedback naar de pomplichtbron. OPO heeft een hoge conversie-efficiëntie en een breed frequentieafstemmingsbereik, dus het wordt veel gebruikt in midden-infraroodlaseronderzoek en -toepassingen.

Toepassingsverschil: OPO is geschikt voor toepassingen waarbij frequentieafstemming vereist is. Door de frequentie van het pomplicht of de faseaanpassingsomstandigheden van het niet-lineaire kristal aan te passen, kan een continu afstembare laseruitvoer worden bereikt in het midden-infraroodbereik. OPO kan worden gebruikt in spectrale analyse, gasdetectie, biomedische beeldvorming en andere gebieden, en is vooral geschikt voor toepassingen die hooggevoelige analyse of microscopische beeldvorming in de midden-infraroodband vereisen.

Kwantumcascade:

De kwantumcascadelaser is een laser gebaseerd op een halfgeleider-superroosterstructuur die midden-infrarood laserlicht genereert via een kwantumcascadeproces. In een kwantumcascadelaser geven elektronen energie vrij via een stapsgewijs overgangsproces tussen meerdere energiebanden, waardoor continu instelbare midden-infraroodstraling ontstaat.

Toepassingsverschillen: Quantumcascadelasers hebben een hoger vermogen en een smallere spectrale lijnbreedte, en zijn geschikt voor spectrale metingen met hoge resolutie, lidar, infraroodbeeldvorming en andere velden. Kwantumcascadelasers kunnen ook werken in omgevingen met hoge temperaturen, dus ze zijn geschikt voor toepassingen waarbij middeninfraroodlasers nodig zijn onder zware omstandigheden, zoals industriële inspectie, milieumonitoring, enz.

Samenvattend wordt OPO voornamelijk gebruikt voor toepassingen met hoogfrequente afstembaarheid, terwijl kwantumcascadelasers meer geschikt zijn voor hoog vermogen, smalle lijnbreedte en hoge temperaturen.

De specifieke vergelijking van verschillen in parameterwaarden verschilt per productmodel en fabrikant. Hieronder volgen voorbeelden van enkele veel voorkomende parametervergelijkingen:

——Frequentieafstembaarheid:

OPO: Er kan een continu instelbare mid-infrarood laseruitvoer worden bereikt, met een frequentiebereik van gewoonlijk honderden megahertz tot enkele gigahertz of breder.

Kwantumcascade: Het frequentieafstembereik is relatief smal, meestal tientallen tot honderden megahertz of smaller.

——Uitgangsvermogen en efficiëntie:

OPO: Het uitgangsvermogen ligt gewoonlijk in het bereik van enkele honderden milliwatt tot enkele watt, en de conversie-efficiëntie kan meer dan 10% bereiken.

Kwantumcascade: het uitgangsvermogen ligt gewoonlijk in het bereik van tientallen tot honderden milliwatts en de conversie-efficiëntie kan meer dan 20% bereiken.

——Spectrale lijnbreedte:

OPO: De spectrale lijnbreedte is smal, meestal in het bereik van enkele gigahertz tot tientallen megahertz.

Kwantumcascade: De spectrale lijnbreedte is relatief breed, meestal in het bereik van tientallen gigahertz tot honderden megahertz.

——Bedrijfstemperatuur:

OPO: Het moet meestal werken bij een stabielere kamertemperatuur of dichtbij kamertemperatuur.

Kwantumcascade: Kan werken bij hogere bedrijfstemperaturen, meestal boven kamertemperatuur, zelfs tot tientallen graden Celsius.

Opgemerkt moet worden dat deze waarden alleen ter algemene referentie dienen en niet de specifieke parameters van alle commerciële producten vertegenwoordigen. De werkelijke parameters zijn afhankelijk van het productmodel, de technologische vooruitgang en de ontwerp- en prestatie-eisen van de fabrikant. Wanneer u een specifiek commercieel product selecteert, kunt u het beste het productspecificatieblad en de technische documentatie raadplegen die door de fabrikant zijn verstrekt voor nauwkeurige parameterinformatie.

④Supercontinuum-lichtbron

Er zijn enkele lichtbronnen die gebaseerd zijn op supercontinuümgeneratie en die een groot deel van de midden-infraroodband bestrijken. Zo'n lichtbron zou kunnen werken op basis van bepaalde midden-infrarode optische vezels, waardoorheen intense lichtpulsen worden gestuurd om sterke niet-lineaire interacties te creëren.

Als afstembaar licht met smalle lijnbreedte vereist is, kunnen afstembare filters worden gebruikt om de gewenste spectrale componenten uit het breedspectrumlicht te extraheren. In sommige gevallen wordt het hele spectrum benut. Een voorbeeld is optische coherentietomografie (OCT). Dit proces wordt vaak uitgevoerd bij kortere golflengtebanden. Het voordeel van midden-infraroodlicht in deze toepassing is echter dat midden-infraroodlicht minder verstrooid wordt. Vergeleken met kortere golflengtebanden heeft het het vermogen om dieper door te dringen.

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), heeft het een grotere bandbreedte, hogere ruimtelijke coherentie, gerichtheid en helderheid dan traditionele lasers.

⑤Micro midden-infraroodlichtbron

Er zijn momenteel veel pogingen om fotonische geïntegreerde schakelingen te ontwikkelen voor midden-infraroodtoepassingen, zoals die gebaseerd op siliciumfotonicaplatforms. Helaas is het niet eenvoudig om een ​​middeninfraroodlichtbron op een chip te implementeren, wat heeft geleid tot onderzoek naar veel mogelijke methoden. Een voorbeeld is het integreren van lichtbronnen in andere halfgeleiders, en hoewel dit technische problemen met zich meebrengt, zijn er ook voorbeelden van flip-chip-bondingtechnologie. Een andere mogelijkheid is om blackbody-emitters (→ thermische straling) of luminescerende materialen te integreren, hoewel dit niet resulteert in ruimtelijk coherente straling.

Er zijn andere methoden gebaseerd op niet-lineaire frequentieconversie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de niet-lineariteit van Kerr voor viergolfmenging of gestimuleerde Raman-verstrooiing. En met behulp van microresonatoren kunnen ook frequentiekammen worden gegenereerd.

daarnaast

Hieronder volgen enkele midden-infraroodlichtbronnen die minder vaak worden gebruikt. Omdat ze niet veel worden toegepast, zullen ze hier niet al te uitgebreid worden besproken, zoals vrije-elektronenlasers en frequentieverdubbelde CO₂-lasers.

Op basis van het bovenstaande is het volgende een referentie voor vergelijking en selectie van verschillende lasertypen: