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      近紅外至中紅外可調諧激光器選型方案

      作者:時間:2023-08-31來源:電子產品世界收藏

      本文旨在討論在選用時一些注意事項和方案建議。

      本文引用地址:http://www.connhp.com/article/202308/450126.htm

      不同光譜范圍定義

      通常而言,人們談起紅外光源,指的是真空波長大于 ~ 700–800 nm(可見波長范圍的上限)的光。

      該描述中沒有明確定義具體波長下限是因為人眼對于對于紅外感是緩慢降低,而非斷崖式截止。

      比如人眼響應度例如 在 700 nm 處已經非常低,但是如果光足夠強,人眼甚至可以看到波長超過 750 nm 的某些激光二極管發出的光,這也使得紅外激光存在安全風險--即使人眼感覺不是很亮,其實際功率卻可能已經很高。

      同樣,和紅外光源下限范圍(700nm~800nm)一樣,紅外光源的上限定義范圍也不確定,通常理解而言,大約為1mm

      以下是一些關于紅外波段的常用定義:

      -   光譜區域(也稱 IR-A),范圍~ 750 至 1400 nm

      在這個波長區域發射的激光很容易噪聲人眼安全問題,因為人眼聚焦功能兼容和可見光范圍,使得近紅外波段光源可以以相同的方式傳輸并聚焦到敏感的視網膜,但是近紅外波段光并不會觸發保護性眨眼反射。 導致人眼因為感知不敏感而使得視網膜承受過大能量損壞,所以在這個波段使用光源要充分注意中用眼保護。

      -   短波長紅外線(SWIR、IR-B)范圍從 1.4 到 3 μm。

      這個區域對眼睛來說相對安全,因為這種光在到達視網膜之前就被眼睛吸收了。

      例如,用于光纖通信的摻鉺光纖放大器就在該區域運行。

      -   中波紅外 (MWIR) 范圍為 3 至 8 μm。

      大氣在該地區的部分地區表現出強烈的吸收作用; 有許多大氣氣體在這個波段會出現就吸收譜線,例如 二氧化碳 (CO(2)) 和水蒸氣 (H(2)O)。

      也因為許多氣體在這個波段表現出表現出很強的吸收特性,這使得該光譜區域很多用于對于大氣中氣體檢測。

      -   長波紅外 (LWIR) 范圍為 8 至 15 μm。

      -   其次是遠紅外 (FIR),范圍從 15 μm 到 1 mm(但也有定義從50μm開始,見ISO 20473)。

      該光譜區域主要用于熱成像。

      本文旨在討論在選用近紅外至寬帶可調波長激光器,它們可能包含上述中的短波長紅外線(SWIR、IR-B ,范圍從 1.4 到 3 μm )和部分中波紅外 (MWIR,范圍為 3 至 8 μm)

      典型應用

      這個波段的個光源的典型應用是在微量氣體的激光吸收光譜中的識別(例如醫學診斷和環境監測中的遙感)。在這里,人們利用中紅外光譜區許多分子的強烈和特征吸收帶(作為“分子指紋”),進行分析。雖然人們也可以通過近紅外區的泛吸收線來研究其中一些分子,因為近紅外激光源更容易制備,但使用中紅外區域中強大的基本吸收線具有更高的靈敏度是有優勢的。

      在中紅外成像中,這個波段的個光源也有應用,其中人們通常利用的是中紅外光能更深入材料且散射較少的優勢。例如在對應的高光譜成像應用中,近紅外至中紅外可以為每個像素(或體素)提供光譜信息。

      由于中紅外激光源(例如光纖激光器)的不斷發展,非金屬激光材料加工的應用也變得越來越實用。通常,人們利用某些材料對紅外光的強烈吸收,例如聚合物薄膜,選擇性地去除材料。

      一個典型的案例是用于電子和光電子器件電極的氧化銦錫(ITO)透明導電膜需要通過選擇性激光燒蝕進行結構化。另一個例子是光纖上涂層的精確剝離。此類應用中在該波段所需功率水平通常遠低于激光切割等應用所需的功率水平。

      近紅外至還被軍方用于針對熱導導導彈的定向紅外對策。除了較高的輸出功率適合致盲紅外相機外,還需要在大氣傳輸波段(約3-4μm和8-13μm附近)內具有廣泛的光譜覆蓋,以防止簡單的缺口濾光片保護紅外探測器。

      上述的大氣傳輸窗口也可以用于通過定向光束進行自由空間光通信,量子級聯激光器很多用于此類應用

      在某些情況下,中紅外超短脈沖是必需的,例如,人們可以在激光光譜學中使用中紅外頻率梳,或利用超短脈沖的高峰值強度進行激光。這可以通過鎖模激光器來生成。

      特別的是,對于近紅外至中紅外的光源,一些應用對于掃描波長或者波長可調有著特別需求,而近紅外至中紅外波長在這些應用中也扮演著極其重要的角色

      例如在光譜學中,中紅外可調諧激光在無論是氣體傳感、環境監測還是化學分析中,中紅外都是必不可少的工具??茖W家們通過調整激光的波長,將其精確地定位在中紅外范圍內,以此探測特定的分子吸收線。這樣一來,他們可以獲得有關物質組成和性質的詳細信息,如同破解了一本藏滿秘密的密碼書。

      在醫學成像領域,中紅外也發揮著重要作用。它們被廣泛應用于非侵入性診斷和成像技術中。通過精確調諧激光的波長,中紅外光線可以穿透生物組織,帶來高分辨率的圖像。這對于檢測和診斷疾病以及異常情況具有重要意義,猶如一道窺探人體內部秘密的神奇之光。

      國防和安全領域同樣離不開中紅外可調諧激光器的應用。在紅外對抗中,尤其是針對熱追蹤導彈的對抗中,這些激光器發揮著關鍵作用。例如,定向紅外對抗系統(DIRCM)就能保護飛機免受導彈的追蹤與攻擊。通過快速調整激光的波長,這些系統可以干擾來襲導彈的制導系統,瞬間扭轉戰局,宛如一把守護天空的神劍。

      遙感技術是對地球的觀測和監測的重要手段,而其中紅外可調諧激光器扮演著關鍵角色。環境監測、大氣研究和地球觀測等領域都依賴于這些激光器的應用。中紅外可調諧激光器使科學家能夠測量大氣中氣體的特定吸收線,提供了寶貴的數據,助力氣候研究、污染監測和天氣預報,猶如一道洞察自然奧秘的魔鏡。

      在工業環境中,中紅外可調諧激光器被廣泛用于精密材料加工。通過將激光調整到某些材料所強烈吸收的波長,它們實現了選擇性的燒蝕、切割或焊接。這使得電子、半導體和微細加工等領域的精確制造成為可能。中紅外可調諧激光器如同一把精工打磨的刻刀,讓工業界能夠雕琢出精雕細刻的產品,顯現出技術的華彩光芒。

      近紅外至中紅外可調諧激光器產品類型和選型特點

      很多技術都可以產生近紅外至中紅外激光,例如早期基于三元鉛化合物或四元化合物獲得的各種類型的鉛鹽激光器,以及常見的摻雜絕緣體體激光器,各種光纖激光器,二氧化碳氣體激光器等等,這里著重討論幾種可以可以在近紅外至中紅外大范圍波長可調的激光原理技術和產品。

      1.光參量振蕩器、放大器和發生器(OPO和OPA)

      在非線性頻率轉換系統中,用一個近紅外激光器,泵浦光學參量振蕩器 (OPO)、放大器 (OPA) 或發生器 (OPG),可以生成中紅外光譜區域中的閑頻光

      一些例子:

      -   在納秒OPO中紅外激光器中,可以用Q 開關激光器作為泵浦源。 用于此類應用的常見晶體材料有二磷化鋅鍺(ZGP、ZnGeP(2))、硫化銀鎵和硒化物(AgGaS(2)、AgGaSe(2))、硒化鎵 (GaSe) 和硒化鎘 (CdSe)。

      由于許多這些材料在 1 μm 區域不透明,因此通常必須使用串聯 OPO:第一個 OPO 將 1 μm 激光輻射轉換為更長的波長,然后用于泵浦實際的中紅外 OPO。

      而后者的信號和閑頻都可以在中紅外光譜區。

      -   1064 nm 的鎖模皮秒 Nd:YVO(4) 激光器也可用于同步泵浦 OPO 與 LiNbO(3) 晶體,允許閑頻光輸出達 4 μm 甚至 4.5 μm,其波長限制主要是優于在長波長處增加閑頻光吸收。所以 基于此原理的OPO 通常會有一個諧振信號。

      這樣的設備可以很容易地產生具有數十毫焦耳能量的脈沖。 輸出波長可在數百納米范圍內調諧。

      昊量光電可提供以下一些常見的產品參數表:

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      2. CWOPO

      相比較于一般OPO的脈沖激發,進來的CWOPO技術產品中提供了基于如下框架的中紅外激光器

      1) DFB 光纖激光器和放大器

      2) DFB 光纖激光器控制

      3) OPO 光學部分以及控制

      此類產品可以提供1435 – 4138 nm (6969-2416 cm-1) 的中紅外范圍內提供連續可調的輸出波長,于此同時,相比于脈沖OPO,此類產品可以提供很優秀的線寬 (<100 MHz )

      這使得此類產品在紅外定標,光譜分析等應用更具優化的可能

      昊量光電可提供以下一些常見的產品參數表:

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      3.量子級聯激光器

      量子級聯激光器是半導體激光器領域一個相對較新的發展方向。

      量子級聯激光器相較于早期基于帶間躍遷的中紅外半導體激光器的不同之處,在于它是基于子帶間躍遷的工作方式。

      這使得量子級聯激光器能夠通過設計半導體層結構的細節,讓躍遷的光子能量(及波長)可以在很寬的范圍內變化。除此之外,通過外腔器件也能做到覆蓋一些重要的波長調諧范圍(有時超過中心波長的 10%)。

      雖然目前需要低溫冷卻才可達到它的最佳性能,許多量子級聯激光器仍可以做到在室溫下運行,甚至是連續運行。量子級聯激光器也可以用于產生脈沖激光,其脈沖時間甚至可以遠低于 1 ns ,雖然峰值功率相當有限。

      對于功率而言,雖然通過優化,其輸出功率可以達到1W,但是該類激光器的輸出功率仍然低于常見的紅外激光器。

      因為,在量子級聯激光器主要應用于光譜學領域中,量級級聯激光僅局限于聲子能量較低的躍遷。

      以下是一些常見參數和類型

      CW-DFB激光管800cm-1-2320cm-1  

      脈沖DFB激光管700cm-1-2350cm-1  

      制冷DFB激光管645cm-1-2370cm-1

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      OPO(光學參量振蕩器)和量子級聯是兩種在中紅外激光產生中常用的技術,它們有一些顯著的應用區別。

      OPO(Optical Parametric Oscillator,光學參量振蕩器):

      OPO是一種非線性光學設備,利用非線性光學晶體或光纖中的參量過程產生新的波長,包括中紅外波段。OPO通過泵浦光源激發參量振蕩,其中振蕩器中的非線性材料將泵浦光分裂成信號光和輔助光。信號光波長可調諧到中紅外范圍,而輔助光則充當泵浦光源的反饋。OPO具有較高的轉換效率和較寬的頻率調諧范圍,因此在中紅外激光研究和應用中得到廣泛應用。

      應用區別:

      OPO適用于需要頻率可調諧性的應用。通過調整泵浦光的頻率或非線性晶體的相位匹配條件,可以在中紅外范圍內實現連續可調諧的激光輸出。

      OPO可用于光譜分析、氣體檢測、生物醫學成像等領域,特別適用于需要在中紅外波段進行高靈敏度分析或顯微成像的應用。

      量子級聯(Quantum Cascade):

      量子級聯激光器是一種基于半導體超晶格結構的激光器,通過量子級聯過程產生中紅外激光。在量子級聯激光器中,電子在多個能帶之間通過逐級躍遷的過程釋放能量,產生連續可調諧的中紅外輻射。

      應用區別:

      量子級聯激光器具有較高的功率和較窄的光譜線寬,適用于高分辨光譜測量、激光雷達、紅外成像等領域。

      量子級聯激光器還可以在高溫環境下工作,因此適用于需要在惡劣條件下進行中紅外激光應用的場合,例如工業檢測、環境監測等。

      綜上所述,OPO主要用于頻率可調諧性較高的應用,而量子級聯激光器則更適用于高功率、窄線寬和高溫。

      具體的參數數值差別對比因產品型號和制造商而異,以下是一些常見參數對比的示例:

      頻率可調諧性:

      OPO:可實現連續可調諧的中紅外激光輸出,頻率范圍通常在幾百兆赫茲至數千兆赫茲或更寬。

      量子級聯:頻率調諧范圍相對較窄,通常在幾十兆赫茲至數百兆赫茲或更窄。

      輸出功率和效率:

      OPO:輸出功率通常在幾百毫瓦至數瓦級別,轉換效率可達10%以上。

      量子級聯:輸出功率通常在幾十毫瓦至幾百毫瓦級別,轉換效率可達20%以上。

      光譜線寬:

      OPO:光譜線寬較窄,通常在幾千兆赫茲至數十兆赫茲范圍內。

      量子級聯:光譜線寬相對較寬,通常在幾十千兆赫茲至數百兆赫茲范圍內。

      工作溫度:

      OPO:通常需要在較穩定的室溫或接近室溫條件下工作。

      量子級聯:可以在較高的工作溫度下工作,通常在室溫以上,甚至可達數十攝氏度。

      需要注意的是,這些數值僅作為一般參考,并不能代表所有商業產品的具體參數。實際的參數取決于產品型號、技術進展以及制造商的設計和性能要求。在選擇具體的商業產品時,最好參考產品規格表和廠商提供的技術文檔以獲取準確的參數信息。

      4.超連續譜光源

      有一些基于超連續譜生成產生的光源,其波段橫跨了中紅外波段的很大一部分。這種光源可以基于某些中紅外光纖運作,通過這些光纖發送強烈的光脈沖,從而產強烈的非線性相互作用。

      如果需要可調的窄線寬的光,就可以使用可調的濾波器從寬譜光中提取出想要的光譜成分。在一些情況下,人們會利用全部的光譜。一個例子是光學相干斷層掃描(OCT),該過程經常會在較短的波段下進行,但中紅外光在此應用上的優勢在于中紅外光的散射較少,相對較短波段而言,擁有滲透更深層的能力。

      目前,最流行的商用中紅外 (mid-IR)光源是光學參量振蕩器 (OPO) [1] 和放大器 (OPA) [2],以及量子級聯激光器 (QCL) [3]。它們已經取得了非常好的性能,并被證明在許多重要的應用中很有用。然而,應該注意的是,OPO/OPA 很復雜,易受振動影響,需要經常維護,并且難以擴大功率。QCL 可以覆蓋 ~3.5–12 的顯著發射波段 μm,但它們發射低輸出功率,每個激光器輸出波長的可調諧性有限。這導致需要為這些激光源找到新的替代解決方案。在這種情況下,高功率中紅外超連續譜發生器顯得非常有趣,主要是由于它們的獨特特性,其中最重要的是它們的廣譜跨越數千納米、高光譜功率密度(>1 mW/nm  )與傳統激光器相比,它具有更寬的帶寬、更高的空間相干性、方向性和亮度。

      昊量光電提供以下一些常見的中紅外超連續譜產品參數:

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      5.微型中紅外光源

      目前有許多嘗試開發用于中紅外應用的光子集成電路,例如有基于硅光子平臺進行開發的。無奈的是,在芯片上實現中紅外光源并不容易,這也使得人們對許多可能的方法開展過研究。一個例子是集成光源到其他半導體上,盡管這在技術上存在困難,但也有涉及倒裝芯片鍵合技術的例子。另一種可能性是集成黑體發射器(→ 熱輻射)或發光材料,只不過這樣不會得到空間相干輻射。

      還有其他基于非線性頻率轉換,利用克爾非線性進行四波混頻或受激拉曼散射的方法。并且使用微諧振器,還可以生成頻率梳。

      除此之外

      以下是一些使用頻率較少的中紅外光源,因應用不廣,此處不做過多詳細討論

      自由電子激光器

      倍頻CO?激光器

      總述

      基于以上,如下給出各種激光器類型對比選型參考:



      OPO/OPA

      CWOPO

      量子級聯

      超連續譜技術

      波長范圍

      ~5um - 18um

      ~1-5 um

      ~3.9um-12um

      ~1-5 um

      單臺覆蓋能力

      SS

      SSS

      S

      S

      窄線寬

      S

      SSS

      SSS

      SS

      功率

      SSS

      SSS

      SSS

      S

      價格

      SSS

      SS

      S

      SS

      掃描速度

      S

      S

      SS

      SSS

      應用備注

      大范圍 ,高能量,無線寬要求,如泵浦探針光譜和成像

      窄線寬需求,如紅外定標,光譜學等


      多臺級聯,窄線寬需求,如光譜學等

      功率要求低,要求較高掃描速度。如OCT等




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