Plano de seleção de laser ajustável de infravermelho próximo a infravermelho médio

Este artigo tem como objetivo discutir algumas considerações e sugestões de programas ao selecionar fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio. Este artigo apresenta e compara brevemente as quatro categorias principais de osciladores paramétricos ópticos (OPO), amplificadores paramétricos ópticos (OPA), lasers em cascata quântica e fontes de luz supercontínua.

1. Diferentes definições de faixa espectral

De modo geral, quando as pessoas falam sobre fontes de luz infravermelha, estão se referindo à luz com comprimentos de onda de vácuo superiores a ~700–800 nm (o limite superior da faixa de comprimento de onda visível).

O limite inferior específico do comprimento de onda não está claramente definido nesta descrição porque a percepção do infravermelho pelo olho humano diminui lentamente, em vez de ser interrompida em um penhasco.

Por exemplo, a resposta da luz a 700 nm ao olho humano já é muito baixa, mas se a luz for forte o suficiente, o olho humano pode até ver a luz emitida por alguns diodos laser com comprimentos de onda superiores a 750 nm, o que também torna o infravermelho lasers são um risco à segurança. --Mesmo que não seja muito brilhante ao olho humano, seu poder real pode ser muito alto.

Da mesma forma, como a faixa limite inferior da fonte de luz infravermelha (700 ~ 800 nm), a faixa de definição do limite superior da fonte de luz infravermelha também é incerta. De modo geral, é cerca de 1 mm.

Aqui estão algumas definições comuns da banda infravermelha:

——Região espectral do infravermelho próximo (também chamada IR-A), alcance ~750-1400 nm.
Os lasers emitidos nesta região de comprimento de onda são propensos a ruídos e problemas de segurança do olho humano, porque a função de foco do olho humano é compatível com as faixas de luz infravermelha próxima e visível, de modo que a fonte de luz da banda infravermelha próxima pode ser transmitida e focada para o retina sensível da mesma maneira, mas a faixa de luz infravermelha próxima não aciona o reflexo protetor de piscar. Como resultado, a retina do olho humano é danificada pelo excesso de energia devido à insensibilidade. Portanto, ao utilizar fontes de luz nesta faixa, deve-se prestar atenção total à proteção dos olhos.

——Infravermelho de comprimento de onda curto (SWIR, IR-B) varia de 1,4-3 μm.
Esta área é relativamente segura para os olhos porque a luz é absorvida pelo olho antes de atingir a retina. Por exemplo, amplificadores de fibra dopada com érbio usados ​​em comunicações de fibra óptica operam nesta região.
——O alcance do infravermelho de onda média (MWIR) é 3-8 μm.
A atmosfera apresenta forte absorção em partes da região; muitos gases atmosféricos terão linhas de absorção nesta banda, como dióxido de carbono (CO2) e vapor de água (H2O). Também porque muitos gases apresentam forte absorção nesta banda. Fortes características de absorção tornam esta região espectral amplamente utilizada para detecção de gases na atmosfera.

——O alcance do infravermelho de onda longa (LWIR) é 8-15 μm.
——O próximo é o infravermelho distante (FIR), que varia de 15 μm-1 mm (mas também há definições a partir de 50 μm, consulte ISO 20473). Esta região espectral é usada principalmente para imagens térmicas.
Este artigo tem como objetivo discutir a seleção de lasers de comprimento de onda sintonizável de banda larga com fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio, que podem incluir o infravermelho de comprimento de onda curto acima (SWIR, IR-B, variando de 1,4-3 μm) e parte do infravermelho de onda média (MWIR, variando de 3-8 μm).

2. Aplicação Típica

Uma aplicação típica de fontes de luz nesta banda é a identificação de espectros de absorção de laser em gases traço (por exemplo, sensoriamento remoto em diagnóstico médico e monitoramento ambiental). Aqui, a análise aproveita as bandas de absorção fortes e características de muitas moléculas na região espectral do infravermelho médio, que servem como “impressões digitais moleculares”. Embora também seja possível estudar algumas dessas moléculas através de linhas de pan-absorção na região do infravermelho próximo, uma vez que as fontes de laser no infravermelho próximo são mais fáceis de preparar, há vantagens em usar linhas de absorção fundamentais fortes na região do infravermelho médio com maior sensibilidade. .

Na imagem no infravermelho médio, fontes de luz nesta banda também são usadas. As pessoas geralmente aproveitam o fato de que a luz infravermelha média pode penetrar mais profundamente nos materiais e ter menos dispersão. Por exemplo, em aplicações de imagem hiperespectrais correspondentes, do infravermelho próximo ao infravermelho médio pode fornecer informações espectrais para cada pixel (ou voxel).

Devido ao desenvolvimento contínuo de fontes de laser infravermelho médio, como lasers de fibra, as aplicações de processamento de materiais a laser não metálicos estão se tornando cada vez mais práticas. Normalmente, as pessoas aproveitam a forte absorção da luz infravermelha por certos materiais, como filmes de polímero, para remover materiais seletivamente.

Um caso típico é que filmes condutores transparentes de óxido de índio e estanho (ITO) usados ​​para eletrodos em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos precisam ser estruturados por ablação seletiva a laser. Outro exemplo é a remoção precisa de revestimentos em fibras ópticas. Os níveis de potência exigidos nesta faixa para tais aplicações são normalmente muito mais baixos do que aqueles exigidos para aplicações como corte a laser.

Fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio também são usadas pelos militares para contramedidas infravermelhas direcionais contra mísseis direcionados ao calor. Além da maior potência de saída adequada para cegar câmeras infravermelhas, também é necessária uma ampla cobertura espectral dentro da banda de transmissão atmosférica (em torno de 3-4 μm e 8-13 μm) para evitar que filtros entalhados simples protejam os detectores infravermelhos.

A janela de transmissão atmosférica descrita acima também pode ser usada para comunicações ópticas em espaço livre através de feixes direcionais, e lasers em cascata quântica são usados ​​em muitas aplicações para esse fim.

Em alguns casos, são necessários pulsos ultracurtos no infravermelho médio. Por exemplo, pode-se usar pentes de frequência infravermelha média em espectroscopia a laser ou explorar as altas intensidades de pico de pulsos ultracurtos para laser. Isso pode ser gerado com um laser de modo bloqueado.

Em particular, para fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio, algumas aplicações têm requisitos especiais para comprimentos de onda de varredura ou sintonização de comprimento de onda, e os lasers sintonizáveis ​​de comprimento de onda do infravermelho próximo ao infravermelho médio também desempenham um papel extremamente importante nessas aplicações.

Por exemplo, na espectroscopia, os lasers sintonizáveis ​​no infravermelho médio são ferramentas essenciais, seja na detecção de gases, no monitoramento ambiental ou na análise química. Os cientistas ajustam o comprimento de onda do laser para posicioná-lo com precisão na faixa do infravermelho médio para detectar linhas específicas de absorção molecular. Dessa forma, eles podem obter informações detalhadas sobre a composição e as propriedades da matéria, como decifrar um livro de códigos cheio de segredos.

No campo da imagem médica, os lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio também desempenham um papel importante. Eles são amplamente utilizados em tecnologias de diagnóstico e imagem não invasivas. Ao ajustar com precisão o comprimento de onda do laser, a luz infravermelha média pode penetrar no tecido biológico, resultando em imagens de alta resolução. Isto é importante para detectar e diagnosticar doenças e anomalias, como uma luz mágica que perscruta os segredos internos do corpo humano.

O campo da defesa e segurança também é inseparável da aplicação de lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio. Esses lasers desempenham um papel fundamental nas contramedidas infravermelhas, especialmente contra mísseis guiados por calor. Por exemplo, o Sistema Direcional de Contramedidas Infravermelhas (DIRCM) pode proteger aeronaves de serem rastreadas e atacadas por mísseis. Ao ajustar rapidamente o comprimento de onda do laser, esses sistemas podem interferir no sistema de orientação dos mísseis que se aproximam e mudar instantaneamente o rumo da batalha, como uma espada mágica guardando o céu.

A tecnologia de sensoriamento remoto é um meio importante de observação e monitoramento da Terra, na qual os lasers infravermelhos sintonizáveis ​​desempenham um papel fundamental. Campos como monitoramento ambiental, pesquisa atmosférica e observação da Terra dependem do uso desses lasers. Os lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio permitem aos cientistas medir linhas de absorção específicas de gases na atmosfera, fornecendo dados valiosos para ajudar na investigação climática, na monitorização da poluição e na previsão do tempo, como um espelho mágico que pode ver os mistérios da natureza.

Em ambientes industriais, os lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio são amplamente utilizados para processamento de materiais de precisão. Ao ajustar os lasers para comprimentos de onda que são fortemente absorvidos por certos materiais, eles permitem ablação, corte ou soldagem seletiva. Isso permite a fabricação de precisão em áreas como eletrônica, semicondutores e microusinagem. O laser ajustável de infravermelho médio é como uma faca de trinchar finamente polida, permitindo à indústria esculpir produtos finamente esculpidos e mostrar o brilho da tecnologia.

3. Tipos de produtos de laser sintonizáveis ​​de infravermelho próximo a infravermelho médio e características de seleção

Muitas tecnologias podem produzir lasers do infravermelho próximo ao infravermelho médio, como vários tipos de lasers de sal de chumbo baseados em compostos de chumbo ternários ou compostos quaternários, bem como lasers a granel isolantes dopados comuns, vários lasers de fibra e lasers de gás dióxido de carbono. Espere, aqui nos concentramos em várias tecnologias e produtos de princípio de laser que podem ser ajustados em uma ampla gama de comprimentos de onda, do infravermelho próximo ao infravermelho médio.

①Osciladores paramétricos ópticos, amplificadores e geradores (OPO e OPA)

Em um sistema de conversão de frequência não linear, um laser infravermelho próximo, oscilador paramétrico óptico de bomba (OPO), amplificador (OPA) ou gerador (OPG) pode ser usado para gerar luz intermediária na região espectral do infravermelho médio, como:
Em lasers infravermelhos médios OPO de nanossegundos, os lasers Q-switched podem ser usados ​​​​como fontes de bomba. Os materiais cristalinos comuns usados ​​para tais aplicações são fosfeto de zinco e germânio (ZGP, ZnGeP2), sulfeto e seleneto de prata e gálio (AgGaS2, AgGaSe2), seleneto de gálio (GaSe) e seleneto de cádmio (CdSe).
Como muitos desses materiais são opacos na região de 1 μm, muitas vezes é necessário usar OPOs em série: o primeiro OPO converte a radiação laser de 1 μm em um comprimento de onda mais longo, que é então usado para bombear o OPO real no infravermelho médio. O sinal e a frequência ociosa deste último podem estar na região do espectro do infravermelho médio.
O laser Nd: YVO4 de picossegundo bloqueado no modo de 1064 nm também pode ser usado para bombear sincronizadamente cristais de OPO e LiNbO3, permitindo que a saída de luz intermediária atinja 4 μm ou até 4,5 μm. Sua limitação de comprimento de onda é principalmente superior ao aumento da absorção de luz intermediária em comprimentos de onda longos. Portanto, OPOs baseados neste princípio geralmente possuem um sinal de ressonância. Tal dispositivo poderia facilmente gerar pulsos com energia na casa das dezenas de milijoules. O comprimento de onda de saída pode ser ajustado em centenas de nanômetros.

②CWOPO

Em comparação com a excitação de pulso do OPO geral, os produtos recentes da tecnologia CWOPO fornecem lasers infravermelhos médios com base na seguinte estrutura:

1) Lasers e amplificadores de fibra DFB;

2) Controle do laser de fibra DFB;

3) Parte óptica e controle OPO;
Este tipo de produto pode fornecer comprimento de onda de saída continuamente ajustável na faixa do infravermelho médio de 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Ao mesmo tempo, comparado ao OPO de pulso, este tipo de produto pode fornecer excelente largura de linha. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Laser em cascata quântica

Os lasers em cascata quântica são uma direção de desenvolvimento relativamente nova no campo dos lasers semicondutores.

A diferença entre os lasers em cascata quântica e os primeiros lasers semicondutores de infravermelho médio baseados em transições interbandas é que eles funcionam com base em transições intersubbandas.

Isso permite que os lasers em cascata quântica projetem os detalhes da estrutura da camada semicondutora para que a energia do fóton de transição (e, portanto, o comprimento de onda) possa variar em uma ampla faixa. Além disso, algumas faixas importantes de sintonia de comprimento de onda (às vezes excedendo 10% do comprimento de onda central) também podem ser cobertas por dispositivos de cavidade externa.

Embora o resfriamento criogênico seja atualmente necessário para atingir o desempenho ideal, muitos lasers em cascata quântica ainda podem ser operados em temperatura ambiente, mesmo continuamente. Lasers em cascata quântica também podem ser usados ​​para gerar lasers pulsados ​​com tempos de pulso bem abaixo de 1 ns, embora a potência de pico seja bastante limitada.

Em termos de potência, embora sua potência de saída possa chegar a 1 W por meio da otimização, a potência de saída desse tipo de laser ainda é inferior à dos lasers infravermelhos comuns. Porque, no campo dos lasers em cascata quântica, que são usados ​​​​principalmente em espectroscopia, os lasers em cascata quântica estão limitados a transições com menor energia de fônons.

Aqui estão alguns parâmetros e tipos comuns:
Tubo laser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tubo laser DFB pulsado de 700 cm-1-2350 cm-1
Tubo laser DFB refrigerado de 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (oscilador paramétrico óptico) e cascata quântica são duas tecnologias comumente usadas na geração de laser infravermelho médio e apresentam algumas diferenças significativas de aplicação.

OPO (Oscilador Paramétrico Óptico, oscilador paramétrico óptico):

OPO é um dispositivo óptico não linear que utiliza processos paramétricos em cristais ópticos não lineares ou fibras ópticas para gerar novos comprimentos de onda, incluindo a banda do infravermelho médio. OPO excita oscilações paramétricas através de uma fonte de luz de bomba, onde materiais não lineares no oscilador dividem a luz da bomba em luz de sinalização e luz auxiliar. O comprimento de onda da luz do sinal é ajustável na faixa do infravermelho médio, enquanto a luz auxiliar atua como feedback para a fonte de luz da bomba. OPO tem alta eficiência de conversão e ampla faixa de ajuste de frequência, por isso é amplamente utilizado em pesquisas e aplicações de laser infravermelho médio.

Diferença de aplicação: OPO é adequado para aplicações que requerem ajuste de frequência. Ao ajustar a frequência da luz da bomba ou as condições de correspondência de fase do cristal não linear, a saída do laser continuamente ajustável pode ser alcançada na faixa do infravermelho médio. OPO pode ser usado em análise espectral, detecção de gases, imagens biomédicas e outros campos, e é especialmente adequado para aplicações que requerem análise de alta sensibilidade ou imagens microscópicas na banda do infravermelho médio.

Cascata Quântica:

O laser em cascata quântica é um laser baseado em uma estrutura de superrede semicondutora que gera luz laser infravermelha média por meio de um processo de cascata quântica. Em um laser em cascata quântica, os elétrons liberam energia por meio de um processo de transição passo a passo entre múltiplas bandas de energia, produzindo radiação infravermelha média continuamente sintonizável.

Diferenças de aplicação: Os lasers em cascata quântica têm maior potência e largura de linha espectral mais estreita e são adequados para medição espectral de alta resolução, lidar, imagens infravermelhas e outros campos. Os lasers quânticos em cascata também podem funcionar em ambientes de alta temperatura, portanto, são adequados para aplicações que exigem lasers infravermelhos médios sob condições adversas, como inspeção industrial, monitoramento ambiental, etc.

Resumindo, o OPO é usado principalmente para aplicações com sintonização de alta frequência, enquanto os lasers em cascata quântica são mais adequados para alta potência, largura de linha estreita e alta temperatura.

A comparação específica das diferenças de valores dos parâmetros varia de acordo com o modelo do produto e o fabricante. A seguir estão exemplos de algumas comparações de parâmetros comuns:

——Sintonia de frequência:

OPO: A saída de laser infravermelho médio continuamente ajustável pode ser alcançada, com uma faixa de frequência geralmente de centenas de megahertz a vários gigahertz ou maior.

Cascata quântica: A faixa de sintonia de frequência é relativamente estreita, geralmente dezenas a centenas de megahertz ou mais estreita.

—— Potência e eficiência de saída:

OPO: A potência de saída geralmente está na faixa de várias centenas de miliwatts a vários watts, e a eficiência de conversão pode chegar a mais de 10%.

Cascata quântica: A potência de saída geralmente está na faixa de dezenas a centenas de miliwatts e a eficiência de conversão pode chegar a mais de 20%.

——Largura de linha espectral:

OPO: A largura de linha espectral é estreita, geralmente na faixa de vários gigahertz a dezenas de megahertz.

Cascata quântica: A largura de linha espectral é relativamente ampla, geralmente na faixa de dezenas de gigahertz a centenas de megahertz.

--Temperatura de operação:

OPO: Geralmente precisa funcionar em uma temperatura ambiente mais estável ou próxima da temperatura ambiente.

Cascata quântica: Pode funcionar em temperaturas operacionais mais altas, geralmente acima da temperatura ambiente, até dezenas de graus Celsius.

Deve-se notar que estes valores são apenas para referência geral e não representam os parâmetros específicos de todos os produtos comerciais. Os parâmetros reais dependem do modelo do produto, dos avanços tecnológicos e dos requisitos de design e desempenho do fabricante. Ao selecionar um produto comercial específico, é melhor consultar a folha de especificações do produto e a documentação técnica fornecida pelo fabricante para obter informações precisas sobre os parâmetros.

④Fonte de luz supercontínua

Existem algumas fontes de luz baseadas na geração supercontínua que abrangem uma grande parte da banda do infravermelho médio. Tal fonte de luz poderia operar com base em certas fibras ópticas de infravermelho médio, através das quais pulsos de luz intensos são enviados para criar fortes interações não lineares.

Se for necessária luz de largura de linha estreita sintonizável, filtros sintonizáveis ​​podem ser usados ​​para extrair os componentes espectrais desejados da luz de amplo espectro. Em alguns casos, todo o espectro é utilizado. Um exemplo é a tomografia de coerência óptica (OCT). Este processo é frequentemente realizado em bandas de comprimento de onda mais curtas. No entanto, a vantagem da luz infravermelha média nesta aplicação é que a luz infravermelha média é menos dispersa. Comparado com bandas de comprimento de onda mais curtas, tem a capacidade de penetrar mais 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), possui largura de banda mais ampla, maior coerência espacial, direcionalidade e brilho do que os lasers tradicionais.

⑤Fonte de luz infravermelha média micro

Atualmente existem muitas tentativas de desenvolver circuitos integrados fotônicos para aplicações no infravermelho médio, como aqueles baseados em plataformas fotônicas de silício. Infelizmente, não é fácil implementar uma fonte de luz infravermelha média em um chip, o que levou à pesquisa de muitos métodos possíveis. Um exemplo é a integração de fontes de luz noutros semicondutores e, embora isto apresente dificuldades técnicas, também existem exemplos que envolvem a tecnologia de ligação flip-chip. Outra possibilidade é integrar emissores de corpo negro (→ radiação térmica) ou materiais luminescentes, embora isso não resulte em radiação espacialmente coerente.

Existem outros métodos baseados na conversão de frequência não linear, utilizando a não linearidade de Kerr para mistura de quatro ondas ou espalhamento Raman estimulado. E usando microrressonadores, pentes de frequência também podem ser gerados.

além do mais

A seguir estão algumas fontes de luz infravermelha média que são usadas com menos frequência. Como não são amplamente utilizados, não serão discutidos com muitos detalhes aqui, como lasers de elétrons livres e lasers de CO₂ com frequência duplicada.

Com base no exposto, a seguir é uma referência para comparação e seleção de vários tipos de laser: