Plan de selección de láser sintonizable de infrarrojo cercano a infrarrojo medio

Este artículo tiene como objetivo discutir algunas consideraciones y sugerencias de programas al seleccionar fuentes de luz de infrarrojo cercano a infrarrojo medio. Este artículo presenta y compara brevemente las cuatro categorías principales de osciladores ópticos paramétricos (OPO), amplificadores ópticos paramétricos (OPA), láseres de cascada cuántica y fuentes de luz supercontinuas.

1.Diferentes definiciones de rango espectral

En términos generales, cuando la gente habla de fuentes de luz infrarroja, se refiere a luz con longitudes de onda del vacío superiores a ~700-800 nm (el límite superior del rango de longitud de onda visible).

El límite inferior de longitud de onda específica no está claramente definido en esta descripción porque la percepción del infrarrojo por parte del ojo humano disminuye lentamente en lugar de cortarse en un acantilado.

Por ejemplo, la respuesta de la luz a 700 nm para el ojo humano ya es muy baja, pero si la luz es lo suficientemente fuerte, el ojo humano puede incluso ver la luz emitida por algunos diodos láser con longitudes de onda superiores a 750 nm, lo que también produce infrarrojos. láseres un riesgo para la seguridad. --Incluso si no es muy brillante para el ojo humano, su potencia real puede ser muy alta.

De manera similar, al igual que el rango límite inferior de la fuente de luz infrarroja (700 ~ 800 nm), el rango de definición del límite superior de la fuente de luz infrarroja también es incierto. En términos generales, es de aproximadamente 1 mm.

A continuación se muestran algunas definiciones comunes de la banda infrarroja:

——Región espectral del infrarrojo cercano (también llamada IR-A), rango ~750-1400 nm.
Los láseres emitidos en esta región de longitud de onda son propensos a generar ruido y problemas de seguridad para el ojo humano, porque la función de enfoque del ojo humano es compatible con los rangos de luz visible y del infrarrojo cercano, de modo que la fuente de luz de la banda del infrarrojo cercano se puede transmitir y enfocar al la retina sensible de la misma manera, pero la banda de luz del infrarrojo cercano no activa el reflejo protector de parpadeo. Como resultado, la retina del ojo humano se daña por el exceso de energía debido a la insensibilidad. Por lo tanto, cuando se utilizan fuentes de luz en esta banda, se debe prestar total atención a la protección de los ojos.

——Infrarrojo de longitud de onda corta (SWIR, IR-B) rango de 1,4-3 μm.
Esta área es relativamente segura para los ojos porque el ojo absorbe la luz antes de llegar a la retina. Por ejemplo, en esta región operan amplificadores de fibra dopada con erbio utilizados en las comunicaciones de fibra óptica.
——El rango de infrarrojos de onda media (MWIR) es 3-8 μm.
La atmósfera muestra una fuerte absorción en algunas partes de la región; Muchos gases atmosféricos tendrán líneas de absorción en esta banda, como el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O). También porque muchos gases exhiben una fuerte absorción en esta banda. Las características de fuerte absorción hacen que esta región espectral se utilice ampliamente para la detección de gases en la atmósfera.

——El rango de infrarrojos de onda larga (LWIR) es 8-15 μm.
——El siguiente es el infrarrojo lejano (FIR), que oscila entre 15 μm-1 mm (pero también hay definiciones a partir de 50 μm, consulte ISO 20473). Esta región espectral se utiliza principalmente para imágenes térmicas.
Este artículo tiene como objetivo analizar la selección de láseres de longitud de onda sintonizables de banda ancha con fuentes de luz del infrarrojo cercano al infrarrojo medio, que pueden incluir el infrarrojo de longitud de onda corta mencionado anteriormente (SWIR, IR-B, que oscila entre 1,4-3 μm). y parte del infrarrojo de onda media (MWIR, cuyo alcance es 3-8 μm).

2.Aplicación típica

Una aplicación típica de las fuentes de luz en esta banda es la identificación de espectros de absorción láser en gases traza (por ejemplo, teledetección en diagnóstico médico y vigilancia medioambiental). En este caso, el análisis aprovecha las fuertes y características bandas de absorción de muchas moléculas en la región espectral del infrarrojo medio, que sirven como "huellas dactilares moleculares". Aunque también se pueden estudiar algunas de estas moléculas a través de líneas de absorción panorámica en la región del infrarrojo cercano, dado que las fuentes láser del infrarrojo cercano son más fáciles de preparar, existen ventajas al utilizar líneas de absorción fundamentales fuertes en la región del infrarrojo medio con mayor sensibilidad. .

En las imágenes del infrarrojo medio también se utilizan fuentes de luz en esta banda. La gente suele aprovechar el hecho de que la luz del infrarrojo medio puede penetrar más profundamente en los materiales y tiene menos dispersión. Por ejemplo, en las correspondientes aplicaciones de imágenes hiperespectrales, el infrarrojo cercano al infrarrojo medio puede proporcionar información espectral para cada píxel (o vóxel).

Debido al desarrollo continuo de fuentes de láser de infrarrojo medio, como los láseres de fibra, las aplicaciones de procesamiento de materiales con láser no metálicos se están volviendo cada vez más prácticas. Normalmente, las personas aprovechan la fuerte absorción de luz infrarroja por parte de ciertos materiales, como las películas de polímero, para eliminar materiales de forma selectiva.

Un caso típico es el de las películas conductoras transparentes de óxido de indio y estaño (ITO) utilizadas para electrodos en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos que deben estructurarse mediante ablación láser selectiva. Otro ejemplo es el decapado preciso de revestimientos de fibras ópticas. Los niveles de potencia necesarios en esta banda para este tipo de aplicaciones suelen ser mucho más bajos que los necesarios para aplicaciones como el corte por láser.

Los militares también utilizan fuentes de luz del infrarrojo cercano al infrarrojo medio para contramedidas infrarrojas direccionales contra misiles buscadores de calor. Además de una mayor potencia de salida adecuada para cámaras infrarrojas cegadoras, también se requiere una amplia cobertura espectral dentro de la banda de transmisión atmosférica (alrededor de 3-4 μm y 8-13 μm) para evitar que simples filtros con muescas protejan los detectores de infrarrojos.

La ventana de transmisión atmosférica descrita anteriormente también se puede utilizar para comunicaciones ópticas en el espacio libre mediante haces direccionales, y los láseres de cascada cuántica se utilizan en muchas aplicaciones para este fin.

En algunos casos, se requieren pulsos ultracortos del infrarrojo medio. Por ejemplo, se podrían utilizar peines de frecuencia de infrarrojo medio en espectroscopia láser o explotar las altas intensidades máximas de los pulsos ultracortos para la generación de láser. Esto se puede generar con un láser de modo bloqueado.

En particular, para fuentes de luz de infrarrojo cercano a infrarrojo medio, algunas aplicaciones tienen requisitos especiales para escanear longitudes de onda o sintonizabilidad de longitud de onda, y los láseres sintonizables de longitud de onda de infrarrojo cercano a infrarrojo medio también desempeñan un papel extremadamente importante en estas aplicaciones.

Por ejemplo, en espectroscopia, los láseres sintonizables de infrarrojo medio son herramientas esenciales, ya sea en la detección de gases, el monitoreo ambiental o el análisis químico. Los científicos ajustan la longitud de onda del láser para posicionarlo con precisión en el rango del infrarrojo medio para detectar líneas de absorción molecular específicas. De esta manera, pueden obtener información detallada sobre la composición y propiedades de la materia, como descifrar un libro de códigos lleno de secretos.

En el campo de la imagen médica, los láseres sintonizables de infrarrojo medio también desempeñan un papel importante. Se utilizan ampliamente en tecnologías de diagnóstico e imágenes no invasivas. Al ajustar con precisión la longitud de onda del láser, la luz del infrarrojo medio puede penetrar el tejido biológico, dando como resultado imágenes de alta resolución. Esto es importante para detectar y diagnosticar enfermedades y anomalías, como una luz mágica que se asoma a los secretos internos del cuerpo humano.

El campo de la defensa y la seguridad también es inseparable de la aplicación de láseres sintonizables de infrarrojo medio. Estos láseres desempeñan un papel clave en las contramedidas infrarrojas, especialmente contra misiles buscadores de calor. Por ejemplo, el Sistema Direccional de Contramedidas Infrarrojas (DIRCM) puede proteger a los aviones de ser rastreados y atacados por misiles. Al ajustar rápidamente la longitud de onda del láser, estos sistemas pueden interferir con el sistema de guía de los misiles entrantes y cambiar instantáneamente el rumbo de la batalla, como una espada mágica que protege el cielo.

La tecnología de teledetección es un medio importante para observar y monitorear la Tierra, en la que los láseres infrarrojos sintonizables desempeñan un papel clave. Campos como el monitoreo ambiental, la investigación atmosférica y la observación de la Tierra dependen del uso de estos láseres. Los láseres sintonizables del infrarrojo medio permiten a los científicos medir líneas de absorción específicas de gases en la atmósfera, proporcionando datos valiosos para ayudar en la investigación climática, el monitoreo de la contaminación y el pronóstico del tiempo, como un espejo mágico que puede ver los misterios de la naturaleza.

En entornos industriales, los láseres sintonizables de infrarrojo medio se utilizan ampliamente para el procesamiento de materiales de precisión. Al ajustar los láseres a longitudes de onda que son fuertemente absorbidas por ciertos materiales, permiten la ablación, el corte o la soldadura selectivos. Esto permite una fabricación de precisión en áreas como la electrónica, los semiconductores y el micromecanizado. El láser sintonizable de infrarrojo medio es como un cuchillo de trinchar finamente pulido, lo que permite a la industria tallar productos finamente tallados y mostrar la brillantez de la tecnología.

3.Tipos de productos láser sintonizables de infrarrojo cercano a infrarrojo medio y características de selección

Muchas tecnologías pueden producir láseres de infrarrojo cercano a infrarrojo medio, como varios tipos de láseres de sal de plomo basados ​​en compuestos de plomo ternarios tempranos o compuestos cuaternarios, así como láseres a granel aislantes dopados comunes, varios láseres de fibra y láseres de gas de dióxido de carbono. Espere, aquí nos centramos en varias tecnologías y productos de principios láser que se pueden sintonizar en una amplia gama de longitudes de onda, desde el infrarrojo cercano hasta el infrarrojo medio.

①Osciladores, amplificadores y generadores paramétricos ópticos (OPO y OPA)

En un sistema de conversión de frecuencia no lineal, se puede utilizar un láser de infrarrojo cercano, un oscilador paramétrico óptico de bomba (OPO), un amplificador (OPA) o un generador (OPG) para generar luz inactiva en la región espectral del infrarrojo medio, como por ejemplo:
En los láseres de infrarrojo medio OPO de nanosegundos, se pueden utilizar láseres de conmutación Q como fuentes de bombeo. Los materiales cristalinos comunes utilizados para tales aplicaciones son fosfuro de zinc y germanio (ZGP, ZnGeP2), sulfuro y seleniuro de galio y plata (AgGaS2, AgGaSe2), seleniuro de galio (GaSe) y seleniuro de cadmio (CdSe).
Dado que muchos de estos materiales son opacos en la región de 1 μm, a menudo es necesario usar OPO en serie: el primer OPO convierte la radiación láser de 1 μm en una longitud de onda más larga, que luego se usa para bombear el OPO de infrarrojo medio real. La señal de este último y la frecuencia inactiva pueden estar ambas en la región del espectro del infrarrojo medio.
El láser Nd:YVO4 de picosegundos con modo bloqueado de 1064 nm también se puede utilizar para bombear sincrónicamente cristales de OPO y LiNbO3, lo que permite que la salida de luz inactiva alcance 4 μm o incluso 4,5 μm. Su limitación de longitud de onda es principalmente superior al aumento de la absorción de luz inactiva en longitudes de onda largas. Por lo tanto, los OPO basados ​​en este principio suelen tener una señal de resonancia. Un dispositivo de este tipo podría generar fácilmente pulsos con energía de decenas de milijulios. La longitud de onda de salida se puede sintonizar en cientos de nanómetros.

②CWOPO

En comparación con la excitación por pulsos del OPO general, los productos de tecnología CWOPO recientes proporcionan láseres de infrarrojo medio basados ​​en el siguiente marco:

1) Láseres y amplificadores de fibra DFB;

2) control láser de fibra DFB;

3) parte óptica y control de OPO;
Este tipo de producto puede proporcionar una longitud de onda de salida continuamente ajustable en el rango del infrarrojo medio de 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Al mismo tiempo, en comparación con el OPO pulsado, este tipo de producto puede proporcionar un ancho de línea excelente. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Láser de cascada cuántica

Los láseres de cascada cuántica son una dirección de desarrollo relativamente nueva en el campo de los láseres semiconductores.

La diferencia entre los láseres de cascada cuántica y los primeros láseres semiconductores de infrarrojo medio basados ​​​​en transiciones entre bandas es que funcionan en base a transiciones entre subbandas.

Esto permite que los láseres de cascada cuántica diseñen los detalles de la estructura de la capa semiconductora de modo que la energía del fotón de transición (y por lo tanto la longitud de onda) pueda variar en un amplio rango. Además, algunos rangos de sintonización de longitud de onda importantes (que a veces superan el 10% de la longitud de onda central) también pueden cubrirse mediante dispositivos de cavidad externa.

Aunque actualmente se requiere refrigeración criogénica para lograr un rendimiento óptimo, muchos láseres de cascada cuántica aún pueden funcionar a temperatura ambiente, incluso de forma continua. Los láseres de cascada cuántica también se pueden utilizar para generar láseres pulsados ​​con tiempos de pulso incluso muy por debajo de 1 ns, aunque la potencia máxima es bastante limitada.

En términos de potencia, aunque su potencia de salida puede alcanzar 1 W mediante optimización, la potencia de salida de este tipo de láser sigue siendo inferior a la de los láseres infrarrojos comunes. Porque en el campo de los láseres de cascada cuántica, que se utilizan principalmente en espectroscopia, los láseres de cascada cuántica se limitan a transiciones con menor energía de fonón.

A continuación se muestran algunos parámetros y tipos comunes:
Tubo láser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tubo láser pulsado DFB 700 cm-1-2350 cm-1
Tubo láser DFB refrigerado 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (oscilador paramétrico óptico) y cascada cuántica son dos tecnologías comúnmente utilizadas en la generación de láser de infrarrojo medio y tienen algunas diferencias de aplicación significativas.

OPO (Oscilador óptico paramétrico, oscilador óptico paramétrico):

OPO es un dispositivo óptico no lineal que utiliza procesos paramétricos en cristales ópticos no lineales o fibras ópticas para generar nuevas longitudes de onda, incluida la banda del infrarrojo medio. OPO excita oscilaciones paramétricas a través de una fuente de luz de bomba, donde los materiales no lineales en el oscilador dividen la luz de la bomba en luz de señal y luz auxiliar. La longitud de onda de la luz de señal se puede sintonizar en el rango del infrarrojo medio, mientras que la luz auxiliar actúa como retroalimentación a la fuente de luz de la bomba. OPO tiene una alta eficiencia de conversión y un amplio rango de sintonización de frecuencia, por lo que se usa ampliamente en investigaciones y aplicaciones de láser de infrarrojo medio.

Diferencia de aplicación: OPO es adecuado para aplicaciones que requieren sintonización de frecuencia. Al ajustar la frecuencia de la luz de la bomba o las condiciones de adaptación de fase del cristal no lineal, se puede lograr una salida láser continuamente sintonizable en el rango del infrarrojo medio. OPO se puede utilizar en análisis espectral, detección de gases, imágenes biomédicas y otros campos, y es especialmente adecuado para aplicaciones que requieren análisis de alta sensibilidad o imágenes microscópicas en la banda del infrarrojo medio.

Cascada cuántica:

El láser de cascada cuántica es un láser basado en una estructura de superred semiconductor que genera luz láser de infrarrojo medio a través de un proceso de cascada cuántica. En un láser de cascada cuántica, los electrones liberan energía a través de un proceso de transición paso a paso entre múltiples bandas de energía, produciendo radiación de infrarrojo medio continuamente sintonizable.

Diferencias de aplicación: los láseres de cascada cuántica tienen mayor potencia y un ancho de línea espectral más estrecho, y son adecuados para mediciones espectrales de alta resolución, lidar, imágenes infrarrojas y otros campos. Los láseres de cascada cuántica también pueden funcionar en entornos de alta temperatura, por lo que son adecuados para aplicaciones que requieren láseres de infrarrojo medio en condiciones difíciles, como inspección industrial, monitoreo ambiental, etc.

En resumen, OPO se utiliza principalmente para aplicaciones con sintonizabilidad de alta frecuencia, mientras que los láseres de cascada cuántica son más adecuados para alta potencia, ancho de línea estrecho y alta temperatura.

La comparación específica de las diferencias de valores de parámetros varía según el modelo de producto y el fabricante. Los siguientes son ejemplos de algunas comparaciones de parámetros comunes:

——Sintonización de frecuencia:

OPO: Se puede lograr una salida de láser de infrarrojo medio continuamente sintonizable, con un rango de frecuencia generalmente de cientos de megahercios a varios gigahercios o más.

Cascada cuántica: el rango de sintonización de frecuencia es relativamente estrecho, generalmente de decenas a cientos de megahercios o menos.

——Potencia de salida y eficiencia:

OPO: La potencia de salida suele estar en el rango de varios cientos de milivatios a varios vatios, y la eficiencia de conversión puede alcanzar más del 10%.

Cascada cuántica: la potencia de salida suele oscilar entre decenas y cientos de milivatios y la eficiencia de conversión puede alcanzar más del 20%.

——Ancho de línea espectral:

OPO: El ancho de línea espectral es estrecho, generalmente en el rango de varios gigahercios a decenas de megahercios.

Cascada cuántica: el ancho de línea espectral es relativamente amplio, generalmente en el rango de decenas de gigahercios a cientos de megahercios.

--Temperatura de funcionamiento:

OPO: Por lo general, necesita funcionar a una temperatura ambiente más estable o cercana a la temperatura ambiente.

Cascada cuántica: Puede funcionar a temperaturas de funcionamiento más altas, generalmente superiores a la temperatura ambiente, incluso hasta decenas de grados Celsius.

Cabe señalar que estos valores son sólo para referencia general y no representan los parámetros específicos de todos los productos comerciales. Los parámetros reales dependen del modelo del producto, los avances tecnológicos y los requisitos de diseño y rendimiento del fabricante. Al seleccionar un producto comercial específico, es mejor consultar la hoja de especificaciones del producto y la documentación técnica proporcionada por el fabricante para obtener información precisa sobre los parámetros.

④Fuente de luz supercontinua

Existen algunas fuentes de luz basadas en generación supercontinua que abarcan una gran parte de la banda del infrarrojo medio. Una fuente de luz de este tipo podría funcionar basándose en determinadas fibras ópticas del infrarrojo medio, a través de las cuales se envían intensos pulsos de luz para crear fuertes interacciones no lineales.

Si se requiere luz sintonizable de ancho de línea estrecho, se pueden usar filtros sintonizables para extraer los componentes espectrales deseados de la luz de amplio espectro. En algunos casos, se utiliza todo el espectro. Un ejemplo es la tomografía de coherencia óptica (OCT). Este proceso suele realizarse en bandas de longitud de onda más cortas. Sin embargo, la ventaja de la luz del infrarrojo medio en esta aplicación es que la luz del infrarrojo medio se dispersa menos. En comparación con bandas de longitud de onda más cortas, tiene la capacidad de penetrar más profundamente.

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), tiene un ancho de banda más amplio, mayor coherencia espacial, direccionalidad y brillo que los láseres tradicionales.

⑤Fuente de luz microinfrarroja media

Actualmente existen muchos intentos de desarrollar circuitos integrados fotónicos para aplicaciones de infrarrojo medio, como los basados ​​en plataformas fotónicas de silicio. Desafortunadamente, no es fácil implementar una fuente de luz de infrarrojo medio en un chip, lo que ha llevado a investigar muchos métodos posibles. Un ejemplo es la integración de fuentes de luz en otros semiconductores y, aunque esto presenta dificultades técnicas, también hay ejemplos que involucran la tecnología de unión de chip invertido. Otra posibilidad es integrar emisores de cuerpo negro (→ radiación térmica) o materiales luminiscentes, aunque esto no da como resultado una radiación espacialmente coherente.

Existen otros métodos basados ​​en la conversión de frecuencia no lineal, que utilizan la no linealidad de Kerr para la mezcla de cuatro ondas o la dispersión Raman estimulada. Y utilizando microresonadores también se pueden generar peines de frecuencia.

además

Las siguientes son algunas fuentes de luz de infrarrojo medio que se utilizan con menos frecuencia. Debido a que no se utilizan ampliamente, no se discutirán aquí con demasiado detalle, como los láseres de electrones libres y los láseres de CO₂ de frecuencia duplicada.

Con base en lo anterior, la siguiente es una referencia para comparar y seleccionar varios tipos de láser: