近紅外至中紅外可調(diào)諧激光器選型方案

近紅外至中紅外可調(diào)諧激光器選型方案

本文旨在討論在選用近紅外至中紅外光源時一些注意事項和方案建議。
 

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(yīng)度例如 在 700 nm 處已經(jīng)非常低，但是如果光足夠強(qiáng)，人眼甚至可以看到波長超過 750 nm 的某些激光二極管發(fā)出的光，這也使得紅外激光存在安全風(fēng)險--即使人眼感覺不是很亮，其實際功率卻可能已經(jīng)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(guān)于紅外波段的常用定義:

•  近紅外光譜區(qū)域（也稱 IR-A），范圍~ 750 至 1400 nm

在這個波長區(qū)域發(fā)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近紅外和可見光范圍，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(wǎng)膜，但是近紅外波段光并不會觸發(fā)保護(hù)性眨眼反射。 導(dǎo)致人眼因為感知不敏感而使得視網(wǎng)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(hù)。

•  短波長紅外線（SWIR、IR-B）范圍從 1.4 到 3 μm。

 這個區(qū)域?qū)ρ劬�來說相對安全，因為這種光在到達(dá)視網(wǎng)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(qū)域運行。

• 中波紅外 (MWIR) 范圍為 3 至 8 μm。

大氣在該地區(qū)的部分地區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收作用； 有許多大氣氣體在這個波段會出現(xiàn)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(xiàn)出表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收特性，這使得該光譜區(qū)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(yuǎn)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(qū)域主要用于熱成像。

本文旨在討論在選用近紅外至中紅外光源寬帶可調(diào)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(yīng)用

這個波段的個光源的典型應(yīng)用是在微量氣體的激光吸收光譜中的識別（例如醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境監(jiān)測中的遙感）。在這里，人們利用中紅外光譜區(qū)許多分子的強(qiáng)烈和特征吸收帶（作為“分子指紋”），進(jìn)行分析。雖然人們也可以通過近紅外區(qū)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(qū)域中強(qiáng)大的基本吸收線具有更高的靈敏度是有優(yōu)勢的。

在中紅外成像中，這個波段的個光源也有應(yīng)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(yōu)勢。例如在對應(yīng)的高光譜成像應(yīng)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(fā)展，非金屬激光材料加工的應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)電膜需要通過選擇性激光燒蝕進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。另一個例子是光纖上涂層的精確剝離。此類應(yīng)用中在該波段所需功率水平通常遠(yuǎn)低于激光切割等應(yīng)用所需的功率水平。

近紅外至中紅外光源還被軍方用于針對熱導(dǎo)導(dǎo)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(jī)外，還需要在大氣傳輸波段（約3-4μm和8-13μm附近）內(nèi)具有廣泛的光譜覆蓋，以防止簡單的缺口濾光片保護(hù)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(jìn)行自由空間光通信，量子級聯(lián)激光器很多用于此類應(yīng)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(xué)中使用中紅外頻率梳，或利用超短脈沖的高峰值強(qiáng)度進(jìn)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(yīng)用對于掃描波長或者波長可調(diào)有著特別需求，而近紅外至中紅外波長可調(diào)諧激光器在這些應(yīng)用中也扮演著極其重要的角色

例如在光譜學(xué)中，中紅外可調(diào)諧激光在無論是氣體傳感、環(huán)境監(jiān)測還是化學(xué)分析中，中紅外可調(diào)諧激光器都是必不可少的工具。科學(xué)家們通過調(diào)整激光的波長，將其精確地定位在中紅外范圍內(nèi)，以此探測特定的分子吸收線。這樣一來，他們可以獲得有關(guān)物質(zhì)組成和性質(zhì)的詳細(xì)信息，如同破解了一本藏滿秘密的密碼書。

在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，中紅外可調(diào)諧激光器也發(fā)揮著重要作用。它們被廣泛應(yīng)用于非侵入性診斷和成像技術(shù)中。通過精確調(diào)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(nèi)部秘密的神奇之光。

國防和安全領(lǐng)域同樣離不開中紅外可調(diào)諧激光器的應(yīng)用。在紅外對抗中，尤其是針對熱追蹤dao彈的對抗中，這些激光器發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，定向紅外對抗系統(tǒng)(DIRCM)就能保護(hù)飛機(jī)免受dao彈的追蹤與攻擊。通過快速調(diào)整激光的波長，這些系統(tǒng)可以干擾來襲dao彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，瞬間扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局，宛如一把守護(hù)天空的神劍。

遙感技術(shù)是對地球的觀測和監(jiān)測的重要手段，而其中紅外可調(diào)諧激光器扮演著關(guān)鍵角色。環(huán)境監(jiān)測、大氣研究和地球觀測等領(lǐng)域都依賴于這些激光器的應(yīng)用。中紅外可調(diào)諧激光器使科學(xué)家能夠測量大氣中氣體的特定吸收線，提供了寶貴的數(shù)據(jù)，助力氣候研究、污染監(jiān)測和天氣預(yù)報，猶如一道洞察自然奧秘的魔鏡。

在工業(yè)環(huán)境中，中紅外可調(diào)諧激光器被廣泛用于精密材料加工。通過將激光調(diào)整到某些材料所強(qiáng)烈吸收的波長，它們實現(xiàn)了選擇性的燒蝕、切割或焊接。這使得電子、半導(dǎo)體和微細(xì)加工等領(lǐng)域的精確制造成為可能。中紅外可調(diào)諧激光器如同一把精工打磨的刻刀，讓工業(yè)界能夠雕琢出精雕細(xì)刻的產(chǎn)品，顯現(xiàn)出技術(shù)的華彩光芒。

近紅外至中紅外可調(diào)諧激光器產(chǎn)品類型和選型特點

很多技術(shù)都可以產(chǎn)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?xì)怏w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(diào)的激光原理技術(shù)和產(chǎn)品。
 

1.光參量振蕩器、放大器和發(fā)生器(OPO和OPA）

在非線性頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，用一個近紅外激光器，泵浦光學(xué)參量振蕩器 (OPO)、放大器 (OPA) 或發(fā)生器 (OPG)，可以生成中紅外光譜區(qū)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(guān)激光器作為泵浦源。 用于此類應(yīng)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(qū)域不透明，因此通常必須使用串聯(lián) OPO：di一個 OPO 將 1 μm 激光輻射轉(zhuǎn)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(qū)。

• 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(dá) 4 μm 甚至 4.5 μm，其波長限制主要是優(yōu)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(shè)備可以很容易地產(chǎn)生具有數(shù)十毫焦耳能量的脈沖。 輸出波長可在數(shù)百納米范圍內(nèi)調(diào)諧。

昊量光電可提供以下一些常見的產(chǎn)品參數(shù)表：
 

2. CWOPO 

相比較于一般OPO的脈沖激發(fā)，進(jìn)來的CWOPO技術(shù)產(chǎn)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(xué)部分以及控制

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

這使得此類產(chǎn)品在紅外定標(biāo)，光譜分析等應(yīng)用更具優(yōu)化的可能

昊量光電可提供以下一些常見的產(chǎn)品參數(shù)表：

3.量子級聯(lián)激光器

量子級聯(lián)激光器是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域一個相對較新的發(fā)展方向。

量子級聯(lián)激光器相較于早期基于帶間躍遷的中紅外半導(dǎo)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(lián)激光器能夠通過設(shè)計半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，讓躍遷的光子能量（及波長）可以在很寬的范圍內(nèi)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(diào)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(dá)到它的zui佳性能，許多量子級聯(lián)激光器仍可以做到在室溫下運行，甚至是連續(xù)運行。量子級聯(lián)激光器也可以用于產(chǎn)生脈沖激光，其脈沖時間甚至可以遠(yuǎn)低于 1 ns ，雖然峰值功率相當(dāng)有限。

對于功率而言，雖然通過優(yōu)化，其輸出功率可以達(dá)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(lián)激光器主要應(yīng)用于光譜學(xué)領(lǐng)域中，量級級聯(lián)激光僅局限于聲子能量較低的躍遷。

以下是一些常見參數(shù)和類型

CW-DFB激光管20000px-1-58000px-1  

脈沖DFB激光管17500px-1-58750px-1  

制冷DFB激光管16125px-1-59250px-1

OPO（光學(xué)參量振蕩器）和量子級聯(lián)是兩種在中紅外激光產(chǎn)生中常用的技術(shù)，它們有一些顯著的應(yīng)用區(qū)別。

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

OPO是一種非線性光學(xué)設(shè)備，利用非線性光學(xué)晶體或光纖中的參量過程產(chǎn)生新的波長，包括中紅外波段。OPO通過泵浦光源激發(fā)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(diào)諧到中紅外范圍，而輔助光則充當(dāng)泵浦光源的反饋。OPO具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較寬的頻率調(diào)諧范圍，因此在中紅外激光研究和應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用區(qū)別：

OPO適用于需要頻率可調(diào)諧性的應(yīng)用。通過調(diào)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(nèi)實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)諧的激光輸出。

OPO可用于光譜分析、氣體檢測、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域，特別適用于需要在中紅外波段進(jìn)行高靈敏度分析或顯微成像的應(yīng)用。

量子級聯(lián)（Quantum Cascade）：

量子級聯(lián)激光器是一種基于半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)的激光器，通過量子級聯(lián)過程產(chǎn)生中紅外激光。在量子級聯(lián)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(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧的中紅外輻射。

應(yīng)用區(qū)別：

量子級聯(lián)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(dá)、紅外成像等領(lǐng)域。

量子級聯(lián)激光器還可以在高溫環(huán)境下工作，因此適用于需要在惡劣條件下進(jìn)行中紅外激光應(yīng)用的場合，例如工業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測等。

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

具體的參數(shù)數(shù)值差別對比因產(chǎn)品型號和制造商而異，以下是一些常見參數(shù)對比的示例：

1.頻率可調(diào)諧性：

OPO：可實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)諧的中紅外激光輸出，頻率范圍通常在幾百兆赫茲至數(shù)千兆赫茲或更寬。

量子級聯(lián)：頻率調(diào)諧范圍相對較窄，通常在幾十兆赫茲至數(shù)百兆赫茲或更窄。

2. 輸出功率和效率：

OPO：輸出功率通常在幾百毫瓦至數(shù)瓦級別，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%以上。

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

3. 光譜線寬：

OPO：光譜線寬較窄，通常在幾千兆赫茲至數(shù)十兆赫茲范圍內(nèi)。

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

4. 工作溫度：

OPO：通常需要在較穩(wěn)定的室溫或接近室溫條件下工作。

量子級聯(lián)：可以在較高的工作溫度下工作，通常在室溫以上，甚至可達(dá)數(shù)十?dāng)z氏度。

需要注意的是，這些數(shù)值僅作為一般參考，并不能代表所有商業(yè)產(chǎn)品的具體參數(shù)。實際的參數(shù)取決于產(chǎn)品型號、技術(shù)進(jìn)展以及制造商的設(shè)計和性能要求。在選擇具體的商業(yè)產(chǎn)品時，zui好參考產(chǎn)品規(guī)格表和廠商提供的技術(shù)文檔以獲取準(zhǔn)確的參數(shù)信息。

超連續(xù)譜光源

有一些基于超連續(xù)譜生成產(chǎn)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(fā)送強(qiáng)烈的光脈沖，從而產(chǎn)強(qiáng)烈的非線性相互作用。

如果需要可調(diào)的窄線寬的光，就可以使用可調(diào)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(xué)相干斷層掃描(OCT)，該過程經(jīng)常會在較短的波段下進(jìn)行，但中紅外光在此應(yīng)用上的優(yōu)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，zui流行的商用中紅外 (mid-IR)光源是光學(xué)參量振蕩器 (OPO) [1] 和放大器 (OPA) [2]，以及量子級聯(lián)激光器 (QCL) [3]。它們已經(jīng)取得了非常好的性能，并被證明在許多重要的應(yīng)用中很有用。然而，應(yīng)該注意的是，OPO/OPA 很復(fù)雜，易受振動影響，需要經(jīng)常維護(hù)，并且難以擴(kuò)大功率。QCL 可以覆蓋 ~3.5–12 的顯著發(fā)射波段 μm，但它們發(fā)射低輸出功率，每個激光器輸出波長的可調(diào)諧性有限。這導(dǎo)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(xù)譜發(fā)生器顯得非常有趣，主要是由于它們的獨特特性，其中zui重要的是它們的廣譜跨越數(shù)千納米、高光譜功率密度（>1 mW/nm  ）與傳統(tǒng)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(xù)譜產(chǎn)品參數(shù)：
 

微型中紅外光源

目前有許多嘗試開發(fā)用于中紅外應(yīng)用的光子集成電路，例如有基于硅光子平臺進(jìn)行開發(fā)的。無奈的是，在芯片上實現(xiàn)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(dǎo)體上，盡管這在技術(shù)上存在困難，但也有涉及倒裝芯片鍵合技術(shù)的例子。另一種可能性是集成黑體發(fā)射器（→ 熱輻射）或發(fā)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(zhuǎn)換，利用克爾非線性進(jìn)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(yīng)用不廣，此處不做過多詳細(xì)討論

自由電子激光器

倍頻CO₂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(lián)	超連續(xù)譜技術(shù)
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(yīng)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(biāo)，光譜學(xué)等	多臺級聯(lián)，窄線寬需求，如光譜學(xué)等	功率要求低,要求較高掃描速度。如OCT等

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