Σχέδιο επιλογής λέιζερ με δυνατότητα ρύθμισης από εγγύς υπέρυθρες έως μεσαίες υπέρυθρες

Αυτό το άρθρο στοχεύει να συζητήσει ορισμένες σκέψεις και προτάσεις προγραμμάτων κατά την επιλογή πηγών φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει εν συντομία και συγκρίνει τις τέσσερις κύριες κατηγορίες οπτικών παραμετρικών ταλαντωτών (OPO), οπτικών παραμετρικών ενισχυτών (OPA), κβαντικών λέιζερ καταρράκτη και πηγών φωτός υπερσυνεχούς.

1.Διαφορετικοί ορισμοί φασματικής περιοχής

Σε γενικές γραμμές, όταν οι άνθρωποι μιλούν για πηγές υπέρυθρου φωτός, αναφέρονται σε φως με μήκη κύματος κενού μεγαλύτερα από ~700–800 nm (το ανώτερο όριο του ορατού εύρους μήκους κύματος).

Το κατώτερο όριο του συγκεκριμένου μήκους κύματος δεν ορίζεται με σαφήνεια σε αυτήν την περιγραφή επειδή η αντίληψη του ανθρώπινου ματιού για το υπέρυθρο μειώνεται αργά αντί να αποκόπτεται σε έναν γκρεμό.

Για παράδειγμα, η απόκριση του φωτός στα 700 nm στο ανθρώπινο μάτι είναι ήδη πολύ χαμηλή, αλλά εάν το φως είναι αρκετά ισχυρό, το ανθρώπινο μάτι μπορεί να δει ακόμη και το φως που εκπέμπεται από μερικές δίοδοι λέιζερ με μήκη κύματος άνω των 750 nm, το οποίο επίσης κάνει υπέρυθρες Τα λέιζερ αποτελούν κίνδυνο για την ασφάλεια. --Ακόμη και αν δεν είναι πολύ φωτεινό στο ανθρώπινο μάτι, η πραγματική του ισχύς μπορεί να είναι πολύ υψηλή.

Ομοίως, όπως το κατώτερο όριο εμβέλειας της πηγής υπέρυθρου φωτός (700~800 nm), το εύρος ορισμού ανώτερου ορίου της πηγής υπέρυθρου φωτός είναι επίσης αβέβαιο. Σε γενικές γραμμές, είναι περίπου 1 mm.

Ακολουθούν ορισμένοι κοινοί ορισμοί της ζώνης υπερύθρων:

——Φασματική περιοχή κοντά στο υπέρυθρο (ονομάζεται επίσης IR-A), εύρος ~750-1400 nm.
Τα λέιζερ που εκπέμπονται σε αυτήν την περιοχή μήκους κύματος είναι επιρρεπή σε θόρυβο και σε ζητήματα ασφάλειας των ανθρωπίνων ματιών, επειδή η λειτουργία εστίασης του ανθρώπινου ματιού είναι συμβατή με το εύρος φωτός κοντά στο υπέρυθρο και το ορατό, έτσι ώστε η πηγή φωτός κοντά στο υπέρυθρο να μπορεί να μεταδοθεί και να εστιαστεί στο ευαίσθητος αμφιβληστροειδής με τον ίδιο τρόπο, αλλά το φως της ζώνης κοντά στο υπέρυθρο Δεν ενεργοποιεί το προστατευτικό αντανακλαστικό βλεφαρίσματος. Ως αποτέλεσμα, ο αμφιβληστροειδής χιτώνας του ανθρώπινου ματιού καταστρέφεται από υπερβολική ενέργεια λόγω αναισθησίας. Επομένως, όταν χρησιμοποιείτε πηγές φωτός σε αυτή τη ζώνη, πρέπει να δίνεται πλήρης προσοχή στην προστασία των ματιών.

——Εύρος υπέρυθρων μικρού μήκους κύματος (SWIR, IR-B) από 1.4-3 μm.
Αυτή η περιοχή είναι σχετικά ασφαλής για τα μάτια γιατί αυτό το φως απορροφάται από το μάτι πριν φτάσει στον αμφιβληστροειδή. Για παράδειγμα, σε αυτήν την περιοχή λειτουργούν ενισχυτές ινών με πρόσμειξη ερβίου που χρησιμοποιούνται σε επικοινωνίες οπτικών ινών.
——Το εύρος υπέρυθρων μεσαίων κυμάτων (MWIR) είναι 3-8 μm.
Η ατμόσφαιρα παρουσιάζει ισχυρή απορρόφηση σε μέρη της περιοχής. Πολλά ατμοσφαιρικά αέρια θα έχουν γραμμές απορρόφησης σε αυτή τη ζώνη, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και οι υδρατμοί (H2O). Επίσης επειδή πολλά αέρια παρουσιάζουν ισχυρή απορρόφηση σε αυτή τη ζώνη Τα ισχυρά χαρακτηριστικά απορρόφησης κάνουν αυτή τη φασματική περιοχή να χρησιμοποιείται ευρέως για την ανίχνευση αερίων στην ατμόσφαιρα.

——Το εύρος υπερύθρων μακρών κυμάτων (LWIR) είναι 8-15 μm.
——Το επόμενο είναι το μακρινό υπέρυθρο (FIR), το οποίο κυμαίνεται από 15 μm-1 mm (αλλά υπάρχουν και ορισμοί που ξεκινούν από 50 μm, βλέπε ISO 20473). Αυτή η φασματική περιοχή χρησιμοποιείται κυρίως για θερμική απεικόνιση.
Αυτό το άρθρο στοχεύει να συζητήσει την επιλογή λέιζερ ευρυζωνικού συντονισμού μήκους κύματος με πηγές φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο, που μπορεί να περιλαμβάνει το παραπάνω υπέρυθρο μικρού μήκους κύματος (SWIR, IR-B, που κυμαίνεται από 1.4-3 μm) και μέρος του υπέρυθρου μεσαίου κύματος (MWIR, η εμβέλεια είναι 3-8 μm).

2.Τυπική εφαρμογή

Μια τυπική εφαρμογή των πηγών φωτός σε αυτή τη ζώνη είναι η αναγνώριση των φασμάτων απορρόφησης λέιζερ σε αέρια ίχνης (π.χ. τηλεπισκόπηση σε ιατρική διάγνωση και περιβαλλοντική παρακολούθηση). Εδώ, η ανάλυση εκμεταλλεύεται τις ισχυρές και χαρακτηριστικές ζώνες απορρόφησης πολλών μορίων στη φασματική περιοχή του μέσου υπέρυθρου, που χρησιμεύουν ως «μοριακά δακτυλικά αποτυπώματα». Αν και μπορεί κανείς να μελετήσει μερικά από αυτά τα μόρια μέσω γραμμών παν-απορρόφησης στην περιοχή εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία, καθώς οι πηγές λέιζερ εγγύς υπέρυθρες προετοιμάζονται ευκολότερα, υπάρχουν πλεονεκτήματα στη χρήση ισχυρών θεμελιωδών γραμμών απορρόφησης στην περιοχή μεσαίου υπέρυθρου με υψηλότερη ευαισθησία .

Στην απεικόνιση μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας, χρησιμοποιούνται επίσης πηγές φωτός σε αυτή τη ζώνη. Οι άνθρωποι συνήθως εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι το μεσαίο υπέρυθρο φως μπορεί να διεισδύσει βαθύτερα στα υλικά και έχει λιγότερη σκέδαση. Για παράδειγμα, σε αντίστοιχες εφαρμογές υπερφασματικής απεικόνισης, το εγγύς υπέρυθρο έως το μεσαίο υπέρυθρο μπορεί να παρέχει φασματικές πληροφορίες για κάθε pixel (ή voxel).

Λόγω της συνεχούς ανάπτυξης πηγών λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου, όπως τα λέιζερ ινών, οι εφαρμογές επεξεργασίας μη μεταλλικών υλικών λέιζερ γίνονται όλο και πιο πρακτικές. Συνήθως, οι άνθρωποι εκμεταλλεύονται την ισχυρή απορρόφηση του υπέρυθρου φωτός από ορισμένα υλικά, όπως τα πολυμερή φιλμ, για να αφαιρέσουν επιλεκτικά υλικά.

Μια τυπική περίπτωση είναι ότι τα διαφανή αγώγιμα φιλμ οξειδίου του κασσιτέρου του ινδίου (ITO) που χρησιμοποιούνται για ηλεκτρόδια σε ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να δομηθούν με επιλεκτική αφαίρεση με λέιζερ. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η ακριβής απογύμνωση των επικαλύψεων σε οπτικές ίνες. Τα επίπεδα ισχύος που απαιτούνται σε αυτή τη ζώνη για τέτοιες εφαρμογές είναι συνήθως πολύ χαμηλότερα από αυτά που απαιτούνται για εφαρμογές όπως η κοπή με λέιζερ.

Πηγές φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο χρησιμοποιούνται επίσης από τον στρατό για κατευθυντικά υπέρυθρα αντίμετρα έναντι πυραύλων που αναζητούν θερμότητα. Εκτός από την υψηλότερη ισχύ εξόδου που είναι κατάλληλη για εκτυφλωτικές κάμερες υπερύθρων, απαιτείται επίσης ευρεία φασματική κάλυψη εντός της ζώνης ατμοσφαιρικής μετάδοσης (περίπου 3-4 μm και 8-13 μm) για να αποτραπεί η προστασία των ανιχνευτών υπερύθρων από απλά φίλτρα με εγκοπές.

Το παράθυρο ατμοσφαιρικής μετάδοσης που περιγράφεται παραπάνω μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για οπτικές επικοινωνίες ελεύθερου χώρου μέσω κατευθυντικών ακτίνων και τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές για το σκοπό αυτό.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτούνται υπερμικροί παλμοί μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να χρησιμοποιήσει χτένες μεσαίας υπέρυθρης συχνότητας στη φασματοσκοπία λέιζερ ή να εκμεταλλευτεί τις υψηλές εντάσεις αιχμής των υπερμικρών παλμών για λέιζινγκ. Αυτό μπορεί να δημιουργηθεί με ένα λέιζερ κλειδωμένο με λειτουργία.

Ειδικότερα, για πηγές φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο, ορισμένες εφαρμογές έχουν ειδικές απαιτήσεις για σάρωση μήκους κύματος ή δυνατότητα συντονισμού μήκους κύματος και τα λέιζερ συντονισμού μήκους κύματος κοντά σε υπέρυθρες έως μεσαίες υπέρυθρες παίζουν επίσης εξαιρετικά σημαντικό ρόλο σε αυτές τις εφαρμογές.

Για παράδειγμα, στη φασματοσκοπία, τα συντονιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι απαραίτητα εργαλεία, είτε στην ανίχνευση αερίων, στην περιβαλλοντική παρακολούθηση ή στη χημική ανάλυση. Οι επιστήμονες προσαρμόζουν το μήκος κύματος του λέιζερ για να το τοποθετήσουν με ακρίβεια στο εύρος του μεσαίου υπέρυθρου για να ανιχνεύσουν συγκεκριμένες γραμμές μοριακής απορρόφησης. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να λάβουν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση και τις ιδιότητες της ύλης, όπως να σπάσουν ένα βιβλίο κωδικών γεμάτο μυστικά.

Στον τομέα της ιατρικής απεικόνισης, σημαντικό ρόλο διαδραματίζουν επίσης τα συντονιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε μη επεμβατικές τεχνολογίες διάγνωσης και απεικόνισης. Με τον ακριβή συντονισμό του μήκους κύματος του λέιζερ, το μεσαίο υπέρυθρο φως μπορεί να διεισδύσει στον βιολογικό ιστό, με αποτέλεσμα εικόνες υψηλής ανάλυσης. Αυτό είναι σημαντικό για τον εντοπισμό και τη διάγνωση ασθενειών και ανωμαλιών, όπως ένα μαγικό φως που κοιτάζει στα εσωτερικά μυστικά του ανθρώπινου σώματος.

Ο τομέας της άμυνας και της ασφάλειας είναι επίσης αδιαχώριστος από την εφαρμογή συντονισμένων λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αυτά τα λέιζερ παίζουν βασικό ρόλο στα υπέρυθρα αντίμετρα, ειδικά κατά των πυραύλων που αναζητούν θερμότητα. Για παράδειγμα, το Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) μπορεί να προστατεύσει τα αεροσκάφη από την παρακολούθηση και την επίθεση από πυραύλους. Προσαρμόζοντας γρήγορα το μήκος κύματος του λέιζερ, αυτά τα συστήματα μπορούν να παρεμβαίνουν στο σύστημα καθοδήγησης των εισερχόμενων πυραύλων και να ανατρέψουν αμέσως το ρεύμα της μάχης, σαν ένα μαγικό σπαθί που προστατεύει τον ουρανό.

Η τεχνολογία τηλεπισκόπησης είναι ένα σημαντικό μέσο παρατήρησης και παρακολούθησης της γης, στο οποίο τα συντονίσιμα λέιζερ υπερύθρων παίζουν βασικό ρόλο. Τομείς όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντος, η ατμοσφαιρική έρευνα και η παρατήρηση της Γης βασίζονται στη χρήση αυτών των λέιζερ. Τα ρυθμιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας επιτρέπουν στους επιστήμονες να μετρούν συγκεκριμένες γραμμές απορρόφησης αερίων στην ατμόσφαιρα, παρέχοντας πολύτιμα δεδομένα για να βοηθήσουν την κλιματική έρευνα, την παρακολούθηση της ρύπανσης και την πρόβλεψη καιρού, όπως ένας μαγικός καθρέφτης που μπορεί να δει τα μυστήρια της φύσης.

Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, τα συντονιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται ευρέως για την επεξεργασία υλικών ακριβείας. Συντονίζοντας τα λέιζερ σε μήκη κύματος που απορροφώνται έντονα από ορισμένα υλικά, επιτρέπουν την επιλεκτική αφαίρεση, την κοπή ή τη συγκόλληση. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή ακριβείας σε τομείς όπως τα ηλεκτρονικά, οι ημιαγωγοί και η μικρομηχανική. Το συντονιζόμενο λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι σαν ένα λεπτώς γυαλισμένο μαχαίρι σκαλίσματος, επιτρέποντας στη βιομηχανία να χαράξει λεπτώς σκαλισμένα προϊόντα και να δείξει τη λαμπρότητα της τεχνολογίας.

3. Συντονιζόμενοι τύποι προϊόντων λέιζερ και χαρακτηριστικά επιλογής κοντά στο υπέρυθρο έως το μέσο υπέρυθρο

Πολλές τεχνολογίες μπορούν να παράγουν λέιζερ εγγύς υπέρυθρου έως μεσαίου υπέρυθρου, όπως διάφοροι τύποι λέιζερ άλατος μολύβδου που βασίζονται σε πρώιμες τριμερείς ενώσεις μολύβδου ή τεταρτοταγείς ενώσεις, καθώς και κοινά χύδην λέιζερ με μόνωση, διάφορα λέιζερ ινών και λέιζερ αερίου διοξειδίου του άνθρακα. Περιμένετε, εδώ εστιάζουμε σε πολλές βασικές τεχνολογίες λέιζερ και προϊόντα που μπορούν να συντονιστούν σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος από το εγγύς υπέρυθρο έως το μεσαίο υπέρυθρο.

①Οπτικοί παραμετρικοί ταλαντωτές, ενισχυτές και γεννήτριες (OPO και OPA)

Σε ένα μη γραμμικό σύστημα μετατροπής συχνότητας, ένα λέιζερ εγγύς υπέρυθρο, οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής αντλίας (OPO), ενισχυτής (OPA) ή γεννήτρια (OPG) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αδρανούς φωτός στη φασματική περιοχή του μέσου υπέρυθρου, όπως:
Στα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας OPO νανοδευτερολέπτων, τα λέιζερ με μεταγωγή Q μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές αντλίας. Τα κοινά κρυσταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται για τέτοιες εφαρμογές είναι το φωσφίδιο του γερμανίου ψευδαργύρου (ZGP, ZnGeP2), το θειούχο και σεληνιούχο γάλλιο αργύρου (AgGaS2, AgGaSe2), το σεληνιούχο γάλλιο (GaSe) και το σεληνιούχο κάδμιο (CdSe).
Δεδομένου ότι πολλά από αυτά τα υλικά είναι αδιαφανή στην περιοχή του 1 μm, είναι συχνά απαραίτητο να χρησιμοποιούνται OPO σε σειρά: το πρώτο OPO μετατρέπει την ακτινοβολία λέιζερ 1 μm σε μεγαλύτερο μήκος κύματος, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την άντληση του πραγματικού OPO μεσαίου υπέρυθρου. Το σήμα και η συχνότητα αδράνειας του τελευταίου μπορεί να βρίσκονται στην περιοχή του μεσαίου υπέρυθρου φάσματος.
Το λέιζερ picosecond Nd:YVO4 κλειδωμένο με λειτουργία 1064 nm μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη σύγχρονη άντληση κρυστάλλων OPO και LiNbO3, επιτρέποντας την έξοδο φωτός αδρανούς να φτάσει τα 4 μm ή ακόμη και τα 4,5 μm. Ο περιορισμός του μήκους κύματος είναι κυρίως ανώτερος από την αύξηση της απορρόφησης αδρανούς φωτός σε μεγάλα μήκη κύματος. Επομένως, τα OPO που βασίζονται σε αυτήν την αρχή έχουν συνήθως σήμα συντονισμού. Μια τέτοια συσκευή θα μπορούσε εύκολα να δημιουργήσει παλμούς με ενέργεια σε δεκάδες χιλιοστά του χιλιοστού. Το μήκος κύματος εξόδου μπορεί να συντονιστεί σε εκατοντάδες νανόμετρα.

②CWOPO

Σε σύγκριση με τη διέγερση παλμών του γενικού OPO, τα πρόσφατα προϊόντα τεχνολογίας CWOPO παρέχουν λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας με βάση το ακόλουθο πλαίσιο:

1) Λέιζερ και ενισχυτές ινών DFB.

2) Έλεγχος λέιζερ ινών DFB.

3) Οπτικό μέρος και έλεγχος OPO.
Αυτός ο τύπος προϊόντος μπορεί να παρέχει συνεχώς ρυθμιζόμενο μήκος κύματος εξόδου στην περιοχή μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Ταυτόχρονα, σε σύγκριση με το παλμικό OPO, αυτό το είδος προϊόντος μπορεί να προσφέρει εξαιρετικό πλάτος γραμμής. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Κβαντικό λέιζερ καταρράκτη

Τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη είναι μια σχετικά νέα κατεύθυνση ανάπτυξης στον τομέα των λέιζερ ημιαγωγών.

Η διαφορά μεταξύ των κβαντικών λέιζερ καταρράκτη και των πρώιμων λέιζερ ημιαγωγών μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας που βασίζονται σε μεταβάσεις μεταξύ των ζωνών είναι ότι λειτουργεί με βάση τις μεταβάσεις μεταξύ των υποζωνών.

Αυτό επιτρέπει στα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη να σχεδιάζουν τις λεπτομέρειες της δομής του στρώματος ημιαγωγών έτσι ώστε η ενέργεια των φωτονίων μετάπτωσης (και επομένως το μήκος κύματος) να μπορεί να ποικίλλει σε ένα ευρύ φάσμα. Επιπλέον, ορισμένες σημαντικές περιοχές συντονισμού μήκους κύματος (μερικές φορές που υπερβαίνουν το 10% του κεντρικού μήκους κύματος) μπορούν επίσης να καλυφθούν μέσω εξωτερικών συσκευών κοιλότητας.

Αν και σήμερα απαιτείται κρυογονική ψύξη για την επίτευξη βέλτιστης απόδοσης, πολλά κβαντικά λέιζερ καταρράκτη μπορούν ακόμα να λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, ακόμη και συνεχώς. Τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία παλμικών λέιζερ με χρόνους παλμού ακόμη και πολύ κάτω του 1 ns, αν και η μέγιστη ισχύς είναι μάλλον περιορισμένη.

Όσον αφορά την ισχύ, αν και η ισχύς εξόδου του μπορεί να φτάσει το 1 W μέσω βελτιστοποίησης, η ισχύς εξόδου αυτού του τύπου λέιζερ εξακολουθεί να είναι χαμηλότερη από αυτή των κοινών υπέρυθρων λέιζερ. Επειδή, στον τομέα των κβαντικών λέιζερ καταρράκτη, τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως στη φασματοσκοπία, τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη περιορίζονται σε μεταβάσεις με χαμηλότερη ενέργεια φωνονίων.

Ακολουθούν ορισμένες κοινές παράμετροι και τύποι:
Σωλήνας λέιζερ CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Παλμικός σωλήνας λέιζερ DFB 700 cm-1-2350 cm-1
Σωλήνας λέιζερ DFB ψυγείου 645 cm-1-2370 cm-1

Το OPO (οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής) και ο κβαντικός καταρράκτης είναι δύο τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται συνήθως στην παραγωγή λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου και έχουν ορισμένες σημαντικές διαφορές εφαρμογής.

OPO (οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής, οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής):

Το OPO είναι μια μη γραμμική οπτική συσκευή που χρησιμοποιεί παραμετρικές διεργασίες σε μη γραμμικούς οπτικούς κρυστάλλους ή οπτικές ίνες για να δημιουργήσει νέα μήκη κύματος, συμπεριλαμβανομένης της ζώνης μεσαίου υπέρυθρου. Το OPO διεγείρει τις παραμετρικές ταλαντώσεις μέσω μιας φωτεινής πηγής αντλίας, όπου τα μη γραμμικά υλικά στον ταλαντωτή χωρίζουν το φως της αντλίας σε φως σήματος και βοηθητικό φως. Το μήκος κύματος του φωτός σήματος μπορεί να ρυθμιστεί στο εύρος των μεσαίων υπέρυθρων, ενώ το βοηθητικό φως λειτουργεί ως ανάδραση στην πηγή φωτός της αντλίας. Το OPO έχει υψηλή απόδοση μετατροπής και μεγάλο εύρος συντονισμού συχνοτήτων, επομένως χρησιμοποιείται ευρέως στην έρευνα και τις εφαρμογές λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Διαφορά εφαρμογής: Το OPO είναι κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν δυνατότητα συντονισμού συχνότητας. Προσαρμόζοντας τη συχνότητα του φωτός της αντλίας ή τις συνθήκες αντιστοίχισης φάσης του μη γραμμικού κρυστάλλου, μπορεί να επιτευχθεί συνεχής ρύθμιση εξόδου λέιζερ στην περιοχή μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Το OPO μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φασματική ανάλυση, ανίχνευση αερίων, βιοϊατρική απεικόνιση και άλλα πεδία και είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν ανάλυση υψηλής ευαισθησίας ή μικροσκοπική απεικόνιση στη μέση υπέρυθρη ζώνη.

Quantum Cascade:

Το κβαντικό λέιζερ καταρράκτη είναι ένα λέιζερ που βασίζεται σε μια δομή υπερπλέγματος ημιαγωγών που παράγει φως λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου μέσω μιας διαδικασίας κβαντικού καταρράκτη. Σε ένα κβαντικό λέιζερ καταρράκτη, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν ενέργεια μέσω μιας διαδικασίας μετάβασης βήμα προς βήμα μεταξύ πολλαπλών ζωνών ενέργειας, παράγοντας συνεχώς ρυθμιζόμενη μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία.

Διαφορές εφαρμογής: Τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη έχουν υψηλότερη ισχύ και στενότερο φασματικό εύρος γραμμής και είναι κατάλληλα για φασματική μέτρηση υψηλής ανάλυσης, lidar, υπέρυθρη απεικόνιση και άλλα πεδία. Τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη μπορούν επίσης να λειτουργήσουν σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, επομένως είναι κατάλληλα για εφαρμογές που απαιτούν λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας υπό σκληρές συνθήκες, όπως βιομηχανική επιθεώρηση, περιβαλλοντική παρακολούθηση κ.λπ.

Συνοψίζοντας, το OPO χρησιμοποιείται κυρίως για εφαρμογές με δυνατότητα συντονισμού υψηλής συχνότητας, ενώ τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη είναι πιο κατάλληλα για υψηλή ισχύ, στενό πλάτος γραμμής και υψηλή θερμοκρασία.

Η συγκεκριμένη σύγκριση των διαφορών στις τιμές των παραμέτρων ποικίλλει ανάλογα με το μοντέλο του προϊόντος και τον κατασκευαστή. Τα ακόλουθα είναι παραδείγματα μερικών κοινών συγκρίσεων παραμέτρων:

——Δυνατότητα συντονισμού συχνότητας:

OPO: Μπορεί να επιτευχθεί συνεχώς ρυθμιζόμενη έξοδος λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου, με εύρος συχνοτήτων συνήθως από εκατοντάδες megahertz έως αρκετά gigahertz ή μεγαλύτερο.

Κβαντικός καταρράκτης: Το εύρος συντονισμού συχνοτήτων είναι σχετικά στενό, συνήθως δεκάδες έως εκατοντάδες megahertz ή μικρότερο.

——Ισχύς εξόδου και απόδοση:

OPO: Η ισχύς εξόδου είναι συνήθως στην περιοχή από αρκετές εκατοντάδες milliwatts έως αρκετά watt και η απόδοση μετατροπής μπορεί να φτάσει περισσότερο από 10%.

Κβαντικός καταρράκτης: Η ισχύς εξόδου είναι συνήθως στην περιοχή από δεκάδες έως εκατοντάδες milliwatts και η απόδοση μετατροπής μπορεί να φτάσει περισσότερο από 20%.

——Φασματικό εύρος γραμμής:

OPO: Το φασματικό εύρος γραμμής είναι στενό, συνήθως στην περιοχή από πολλά gigahertz έως δεκάδες megahertz.

Κβαντικός καταρράκτης: Το φασματικό εύρος γραμμής είναι σχετικά ευρύ, συνήθως στην περιοχή από δεκάδες gigahertz έως εκατοντάδες megahertz.

--Θερμοκρασία λειτουργίας:

OPO: Συνήθως χρειάζεται να λειτουργεί σε πιο σταθερή θερμοκρασία δωματίου ή κοντά σε θερμοκρασία δωματίου.

Κβαντικός καταρράκτης: Μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, συνήθως πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου, ακόμη και έως και δεκάδες βαθμούς Κελσίου.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτές οι τιμές είναι μόνο για γενική αναφορά και δεν αντιπροσωπεύουν τις συγκεκριμένες παραμέτρους όλων των εμπορικών προϊόντων. Οι πραγματικές παράμετροι εξαρτώνται από το μοντέλο του προϊόντος, τις τεχνολογικές εξελίξεις και τις απαιτήσεις σχεδιασμού και απόδοσης του κατασκευαστή. Όταν επιλέγετε ένα συγκεκριμένο εμπορικό προϊόν, είναι καλύτερο να ανατρέξετε στο φύλλο προδιαγραφών του προϊόντος και στην τεχνική τεκμηρίωση που παρέχεται από τον κατασκευαστή για ακριβείς πληροφορίες παραμέτρων.

④Πηγή φωτός υπερσυνεχούς

Υπάρχουν μερικές πηγές φωτός που βασίζονται στη δημιουργία υπερσυνέχειας που καλύπτουν ένα μεγάλο μέρος της ζώνης μεσαίου υπέρυθρου. Μια τέτοια πηγή φωτός θα μπορούσε να λειτουργεί με βάση ορισμένες μεσαίες υπέρυθρες οπτικές ίνες, μέσω των οποίων στέλνονται έντονοι παλμοί φωτός για να δημιουργήσουν ισχυρές μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις.

Εάν απαιτείται ρυθμίσιμο φως στενού εύρους γραμμής, μπορούν να χρησιμοποιηθούν συντονίσιμα φίλτρα για την εξαγωγή των επιθυμητών φασματικών στοιχείων από το φως ευρέος φάσματος. Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται ολόκληρο το φάσμα. Ένα παράδειγμα είναι η οπτική τομογραφία συνοχής (OCT). Αυτή η διαδικασία εκτελείται συχνά σε μικρότερες ζώνες μήκους κύματος. Ωστόσο, το πλεονέκτημα του μεσαίου υπέρυθρου φωτός σε αυτήν την εφαρμογή είναι ότι το μεσαίο υπέρυθρο φως είναι λιγότερο διασκορπισμένο. Σε σύγκριση με τις μικρότερες ζώνες μήκους κύματος, έχει την ικανότητα να διεισδύει βαθύτερα.

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), έχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης, μεγαλύτερη χωρική συνοχή, κατευθυντικότητα και φωτεινότητα από τα παραδοσιακά λέιζερ.

⑤Μικρο μεσαίο υπέρυθρο φως

Επί του παρόντος γίνονται πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για εφαρμογές μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας, όπως αυτές που βασίζονται σε πλατφόρμες φωτονικής πυριτίου. Δυστυχώς, δεν είναι εύκολο να εφαρμοστεί μια πηγή φωτός μεσαίου υπέρυθρου σε ένα τσιπ, γεγονός που οδήγησε στην έρευνα για πολλές πιθανές μεθόδους. Ένα παράδειγμα είναι η ενσωμάτωση πηγών φωτός σε άλλους ημιαγωγούς, και παρόλο που αυτό παρουσιάζει τεχνικές δυσκολίες, υπάρχουν επίσης παραδείγματα που αφορούν την τεχνολογία συγκόλλησης flip-chip. Μια άλλη δυνατότητα είναι η ενσωμάτωση εκπομπών μαύρων σωμάτων (→ θερμική ακτινοβολία) ή φωταυγών υλικών, αν και αυτό δεν οδηγεί σε χωρικά συνεκτική ακτινοβολία.

Υπάρχουν άλλες μέθοδοι που βασίζονται στη μη γραμμική μετατροπή συχνότητας, χρησιμοποιώντας τη μη γραμμικότητα Kerr για ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων ή διεγερμένη σκέδαση Raman. Και χρησιμοποιώντας μικροσυντονιστές, μπορούν επίσης να δημιουργηθούν χτένες συχνότητας.

εκτός

Ακολουθούν ορισμένες πηγές φωτός μεσαίου υπέρυθρου που χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά. Επειδή δεν χρησιμοποιούνται ευρέως, δεν θα συζητηθούν με πολλές λεπτομέρειες εδώ, όπως τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων και τα λέιζερ διπλής συχνότητας CO2.

Με βάση τα παραπάνω, τα παρακάτω είναι μια αναφορά για σύγκριση και επιλογή διαφόρων τύπων λέιζερ: