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近红外至中红外可调谐激光器选型方案

作者: 时间:2023-08-31 来源:电子产品世界 收藏

本文旨在讨论在选用时一些注意事项和方案建议。

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

不同光谱范围定义

通常而言,人们谈起红外光源,指的是真空波长大于 ~ 700–800 nm(可见波长范围的上限)的光。

该描述中没有明确定义具体波长下限是因为人眼对于对于红外感是缓慢降低,而非断崖式截止。

比如人眼响应度例如 在 700 nm 处已经非常低,但是如果光足够强,人眼甚至可以看到波长超过 750 nm 的某些激光二极管发出的光,这也使得红外激光存在安全风险--即使人眼感觉不是很亮,其实际功率却可能已经很高。

同样,和红外光源下限范围(700nm~800nm)一样,红外光源的上限定义范围也不确定,通常理解而言,大约为1mm

以下是一些关于红外波段的常用定义:

-   光谱区域(也称 IR-A),范围~ 750 至 1400 nm

在这个波长区域发射的激光很容易噪声人眼安全问题,因为人眼聚焦功能兼容和可见光范围,使得近红外波段光源可以以相同的方式传输并聚焦到敏感的视网膜,但是近红外波段光并不会触发保护性眨眼反射。 导致人眼因为感知不敏感而使得视网膜承受过大能量损坏,所以在这个波段使用光源要充分注意中用眼保护。

-   短波长红外线(SWIR、IR-B)范围从 1.4 到 3 μm。

这个区域对眼睛来说相对安全,因为这种光在到达视网膜之前就被眼睛吸收了。

例如,用于光纤通信的掺铒光纤放大器就在该区域运行。

-   中波红外 (MWIR) 范围为 3 至 8 μm。

大气在该地区的部分地区表现出强烈的吸收作用; 有许多大气气体在这个波段会出现就吸收谱线,例如 二氧化碳 (CO(2)) 和水蒸气 (H(2)O)。

也因为许多气体在这个波段表现出表现出很强的吸收特性,这使得该光谱区域很多用于对于大气中气体检测。

-   长波红外 (LWIR) 范围为 8 至 15 μm。

-   其次是远红外 (FIR),范围从 15 μm 到 1 mm(但也有定义从50μm开始,见ISO 20473)。

该光谱区域主要用于热成像。

本文旨在讨论在选用近红外至宽带可调波长激光器,它们可能包含上述中的短波长红外线(SWIR、IR-B ,范围从 1.4 到 3 μm )和部分中波红外 (MWIR,范围为 3 至 8 μm)

典型应用

这个波段的个光源的典型应用是在微量气体的激光吸收光谱中的识别(例如医学诊断和环境监测中的遥感)。在这里,人们利用中红外光谱区许多分子的强烈和特征吸收带(作为“分子指纹”),进行分析。虽然人们也可以通过近红外区的泛吸收线来研究其中一些分子,因为近红外激光源更容易制备,但使用中红外区域中强大的基本吸收线具有更高的灵敏度是有优势的。

在中红外成像中,这个波段的个光源也有应用,其中人们通常利用的是中红外光能更深入材料且散射较少的优势。例如在对应的高光谱成像应用中,近红外至中红外可以为每个像素(或体素)提供光谱信息。

由于中红外激光源(例如光纤激光器)的不断发展,非金属激光材料加工的应用也变得越来越实用。通常,人们利用某些材料对红外光的强烈吸收,例如聚合物薄膜,选择性地去除材料。

一个典型的案例是用于电子和光电子器件电极的氧化铟锡(ITO)透明导电膜需要通过选择性激光烧蚀进行结构化。另一个例子是光纤上涂层的精确剥离。此类应用中在该波段所需功率水平通常远低于激光切割等应用所需的功率水平。

近红外至还被军方用于针对热导导导弹的定向红外对策。除了较高的输出功率适合致盲红外相机外,还需要在大气传输波段(约3-4μm和8-13μm附近)内具有广泛的光谱覆盖,以防止简单的缺口滤光片保护红外探测器。

上述的大气传输窗口也可以用于通过定向光束进行自由空间光通信,量子级联激光器很多用于此类应用

在某些情况下,中红外超短脉冲是必需的,例如,人们可以在激光光谱学中使用中红外频率梳,或利用超短脉冲的高峰值强度进行激光。这可以通过锁模激光器来生成。

特别的是,对于近红外至中红外的光源,一些应用对于扫描波长或者波长可调有着特别需求,而近红外至中红外波长在这些应用中也扮演着极其重要的角色

例如在光谱学中,中红外可调谐激光在无论是气体传感、环境监测还是化学分析中,中红外都是必不可少的工具。科学家们通过调整激光的波长,将其精确地定位在中红外范围内,以此探测特定的分子吸收线。这样一来,他们可以获得有关物质组成和性质的详细信息,如同破解了一本藏满秘密的密码书。

在医学成像领域,中红外也发挥着重要作用。它们被广泛应用于非侵入性诊断和成像技术中。通过精确调谐激光的波长,中红外光线可以穿透生物组织,带来高分辨率的图像。这对于检测和诊断疾病以及异常情况具有重要意义,犹如一道窥探人体内部秘密的神奇之光。

国防和安全领域同样离不开中红外可调谐激光器的应用。在红外对抗中,尤其是针对热追踪导弹的对抗中,这些激光器发挥着关键作用。例如,定向红外对抗系统(DIRCM)就能保护飞机免受导弹的追踪与攻击。通过快速调整激光的波长,这些系统可以干扰来袭导弹的制导系统,瞬间扭转战局,宛如一把守护天空的神剑。

遥感技术是对地球的观测和监测的重要手段,而其中红外可调谐激光器扮演着关键角色。环境监测、大气研究和地球观测等领域都依赖于这些激光器的应用。中红外可调谐激光器使科学家能够测量大气中气体的特定吸收线,提供了宝贵的数据,助力气候研究、污染监测和天气预报,犹如一道洞察自然奥秘的魔镜。

在工业环境中,中红外可调谐激光器被广泛用于精密材料加工。通过将激光调整到某些材料所强烈吸收的波长,它们实现了选择性的烧蚀、切割或焊接。这使得电子、半导体和微细加工等领域的精确制造成为可能。中红外可调谐激光器如同一把精工打磨的刻刀,让工业界能够雕琢出精雕细刻的产品,显现出技术的华彩光芒。

近红外至中红外可调谐激光器产品类型和选型特点

很多技术都可以产生近红外至中红外激光,例如早期基于三元铅化合物或四元化合物获得的各种类型的铅盐激光器,以及常见的掺杂绝缘体体激光器,各种光纤激光器,二氧化碳气体激光器等等,这里着重讨论几种可以可以在近红外至中红外大范围波长可调的激光原理技术和产品。

1.光参量振荡器、放大器和发生器(OPO和OPA)

在非线性频率转换系统中,用一个近红外激光器,泵浦光学参量振荡器 (OPO)、放大器 (OPA) 或发生器 (OPG),可以生成中红外光谱区域中的闲频光

一些例子:

-   在纳秒OPO中红外激光器中,可以用Q 开关激光器作为泵浦源。 用于此类应用的常见晶体材料有二磷化锌锗(ZGP、ZnGeP(2))、硫化银镓和硒化物(AgGaS(2)、AgGaSe(2))、硒化镓 (GaSe) 和硒化镉 (CdSe)。

由于许多这些材料在 1 μm 区域不透明,因此通常必须使用串联 OPO:第一个 OPO 将 1 μm 激光辐射转换为更长的波长,然后用于泵浦实际的中红外 OPO。

而后者的信号和闲频都可以在中红外光谱区。

-   1064 nm 的锁模皮秒 Nd:YVO(4) 激光器也可用于同步泵浦 OPO 与 LiNbO(3) 晶体,允许闲频光输出达 4 μm 甚至 4.5 μm,其波长限制主要是优于在长波长处增加闲频光吸收。所以 基于此原理的OPO 通常会有一个谐振信号。

这样的设备可以很容易地产生具有数十毫焦耳能量的脉冲。 输出波长可在数百纳米范围内调谐。

昊量光电可提供以下一些常见的产品参数表:

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2. CWOPO

相比较于一般OPO的脉冲激发,进来的CWOPO技术产品中提供了基于如下框架的中红外激光器

1) DFB 光纤激光器和放大器

2) DFB 光纤激光器控制

3) OPO 光学部分以及控制

此类产品可以提供1435 – 4138 nm (6969-2416 cm-1) 的中红外范围内提供连续可调的输出波长,于此同时,相比于脉冲OPO,此类产品可以提供很优秀的线宽 (<100 MHz )

这使得此类产品在红外定标,光谱分析等应用更具优化的可能

昊量光电可提供以下一些常见的产品参数表:

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3.量子级联激光器

量子级联激光器是半导体激光器领域一个相对较新的发展方向。

量子级联激光器相较于早期基于带间跃迁的中红外半导体激光器的不同之处,在于它是基于子带间跃迁的工作方式。

这使得量子级联激光器能够通过设计半导体层结构的细节,让跃迁的光子能量(及波长)可以在很宽的范围内变化。除此之外,通过外腔器件也能做到覆盖一些重要的波长调谐范围(有时超过中心波长的 10%)。

虽然目前需要低温冷却才可达到它的最佳性能,许多量子级联激光器仍可以做到在室温下运行,甚至是连续运行。量子级联激光器也可以用于产生脉冲激光,其脉冲时间甚至可以远低于 1 ns ,虽然峰值功率相当有限。

对于功率而言,虽然通过优化,其输出功率可以达到1W,但是该类激光器的输出功率仍然低于常见的红外激光器。

因为,在量子级联激光器主要应用于光谱学领域中,量级级联激光仅局限于声子能量较低的跃迁。

以下是一些常见参数和类型

CW-DFB激光管800cm-1-2320cm-1  

脉冲DFB激光管700cm-1-2350cm-1  

制冷DFB激光管645cm-1-2370cm-1

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OPO(光学参量振荡器)和量子级联是两种在中红外激光产生中常用的技术,它们有一些显著的应用区别。

OPO(Optical Parametric Oscillator,光学参量振荡器):

OPO是一种非线性光学设备,利用非线性光学晶体或光纤中的参量过程产生新的波长,包括中红外波段。OPO通过泵浦光源激发参量振荡,其中振荡器中的非线性材料将泵浦光分裂成信号光和辅助光。信号光波长可调谐到中红外范围,而辅助光则充当泵浦光源的反馈。OPO具有较高的转换效率和较宽的频率调谐范围,因此在中红外激光研究和应用中得到广泛应用。

应用区别:

OPO适用于需要频率可调谐性的应用。通过调整泵浦光的频率或非线性晶体的相位匹配条件,可以在中红外范围内实现连续可调谐的激光输出。

OPO可用于光谱分析、气体检测、生物医学成像等领域,特别适用于需要在中红外波段进行高灵敏度分析或显微成像的应用。

量子级联(Quantum Cascade):

量子级联激光器是一种基于半导体超晶格结构的激光器,通过量子级联过程产生中红外激光。在量子级联激光器中,电子在多个能带之间通过逐级跃迁的过程释放能量,产生连续可调谐的中红外辐射。

应用区别:

量子级联激光器具有较高的功率和较窄的光谱线宽,适用于高分辨光谱测量、激光雷达、红外成像等领域。

量子级联激光器还可以在高温环境下工作,因此适用于需要在恶劣条件下进行中红外激光应用的场合,例如工业检测、环境监测等。

综上所述,OPO主要用于频率可调谐性较高的应用,而量子级联激光器则更适用于高功率、窄线宽和高温。

具体的参数数值差别对比因产品型号和制造商而异,以下是一些常见参数对比的示例:

频率可调谐性:

OPO:可实现连续可调谐的中红外激光输出,频率范围通常在几百兆赫兹至数千兆赫兹或更宽。

量子级联:频率调谐范围相对较窄,通常在几十兆赫兹至数百兆赫兹或更窄。

输出功率和效率:

OPO:输出功率通常在几百毫瓦至数瓦级别,转换效率可达10%以上。

量子级联:输出功率通常在几十毫瓦至几百毫瓦级别,转换效率可达20%以上。

光谱线宽:

OPO:光谱线宽较窄,通常在几千兆赫兹至数十兆赫兹范围内。

量子级联:光谱线宽相对较宽,通常在几十千兆赫兹至数百兆赫兹范围内。

工作温度:

OPO:通常需要在较稳定的室温或接近室温条件下工作。

量子级联:可以在较高的工作温度下工作,通常在室温以上,甚至可达数十摄氏度。

需要注意的是,这些数值仅作为一般参考,并不能代表所有商业产品的具体参数。实际的参数取决于产品型号、技术进展以及制造商的设计和性能要求。在选择具体的商业产品时,最好参考产品规格表和厂商提供的技术文档以获取准确的参数信息。

4.超连续谱光源

有一些基于超连续谱生成产生的光源,其波段横跨了中红外波段的很大一部分。这种光源可以基于某些中红外光纤运作,通过这些光纤发送强烈的光脉冲,从而产强烈的非线性相互作用。

如果需要可调的窄线宽的光,就可以使用可调的滤波器从宽谱光中提取出想要的光谱成分。在一些情况下,人们会利用全部的光谱。一个例子是光学相干断层扫描(OCT),该过程经常会在较短的波段下进行,但中红外光在此应用上的优势在于中红外光的散射较少,相对较短波段而言,拥有渗透更深层的能力。

目前,最流行的商用中红外 (mid-IR)光源是光学参量振荡器 (OPO) [1] 和放大器 (OPA) [2],以及量子级联激光器 (QCL) [3]。它们已经取得了非常好的性能,并被证明在许多重要的应用中很有用。然而,应该注意的是,OPO/OPA 很复杂,易受振动影响,需要经常维护,并且难以扩大功率。QCL 可以覆盖 ~3.5–12 的显着发射波段 μm,但它们发射低输出功率,每个激光器输出波长的可调谐性有限。这导致需要为这些激光源找到新的替代解决方案。在这种情况下,高功率中红外超连续谱发生器显得非常有趣,主要是由于它们的独特特性,其中最重要的是它们的广谱跨越数千纳米、高光谱功率密度(>1 mW/nm  )与传统激光器相比,它具有更宽的带宽、更高的空间相干性、方向性和亮度。

昊量光电提供以下一些常见的中红外超连续谱产品参数:

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5.微型中红外光源

目前有许多尝试开发用于中红外应用的光子集成电路,例如有基于硅光子平台进行开发的。无奈的是,在芯片上实现中红外光源并不容易,这也使得人们对许多可能的方法开展过研究。一个例子是集成光源到其他半导体上,尽管这在技术上存在困难,但也有涉及倒装芯片键合技术的例子。另一种可能性是集成黑体发射器(→ 热辐射)或发光材料,只不过这样不会得到空间相干辐射。

还有其他基于非线性频率转换,利用克尔非线性进行四波混频或受激拉曼散射的方法。并且使用微谐振器,还可以生成频率梳。

除此之外

以下是一些使用频率较少的中红外光源,因应用不广,此处不做过多详细讨论

自由电子激光器

倍频CO₂激光器

总述

基于以上,如下给出各种激光器类型对比选型参考:



OPO/OPA

CWOPO

量子级联

超连续谱技术

波长范围

~5um - 18um

~1-5 um

~3.9um-12um

~1-5 um

单台覆盖能力

SS

SSS

S

S

窄线宽

S

SSS

SSS

SS

功率

SSS

SSS

SSS

S

价格

SSS

SS

S

SS

扫描速度

S

S

SS

SSS

应用备注

大范围 ,高能量,无线宽要求,如泵浦探针光谱和成像

窄线宽需求,如红外定标,光谱学等


多台级联,窄线宽需求,如光谱学等

功率要求低,要求较高扫描速度。如OCT等




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