近紅外至中紅外可調諧激光器選型方案

本文旨在討論在選用近紅外至中紅外光源時(shí)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(cháng)大于 ~ 700–800 nm（可見(jiàn)波長(cháng)范圍的上限）的光。

該描述中沒(méi)有明確定義具體波長(cháng)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(jīng)非常低，但是如果光足夠強，人眼甚至可以看到波長(cháng)超過(guò) 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(jué)不是很亮，其實(shí)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:

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

在這個(gè)波長(cháng)區域發(fā)射的激光很容易噪聲人眼安全問(wèn)題，因為人眼聚焦功能兼容近紅外和可見(jiàn)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(huì )觸發(fā)保護性眨眼反射。 導致人眼因為感知不敏感而使得視網(wǎng)膜承受過(guò)大能量損壞，所以在這個(gè)波段使用光源要充分注意中用眼保護。

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

這個(gè)區域對眼睛來(lái)說(shuō)相對安全，因為這種光在到達視網(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(gè)波段會(huì )出現就吸收譜線(xiàn)，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(gè)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(cháng)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(kāi)始，見(jiàn)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中紅外光源寬帶可調波長(cháng)激光器，它們可能包含上述中的短波長(cháng)紅外線(xiàn)（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(gè)波段的個(gè)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(xué)診斷和環(huán)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(jìn)行分析。雖然人們也可以通過(guò)近紅外區的泛吸收線(xiàn)來(lái)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(xiàn)具有更高的靈敏度是有優(yōu)勢的。

在中紅外成像中，這個(gè)波段的個(gè)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(yōu)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(gè)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用也變得越來(lái)越實(shí)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(gè)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(guò)選擇性激光燒蝕進(jìn)行結構化。另一個(gè)例子是光纖上涂層的精確剝離。此類(lèi)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。

近紅外至中紅外光源還被jun方用于針對熱導導dao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(jiǎn)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(guò)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(lèi)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(xué)中使用中紅外頻率梳，或利用超短脈沖的高峰值強度進(jìn)行激光。這可以通過(guò)鎖模激光器來(lái)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(cháng)或者波長(cháng)可調有著(zhù)特別需求，而近紅外至中紅外波長(cháng)可調諧激光器在這些應用中也扮演著(zhù)ji其重要的角色

例如在光譜學(xué)中，中紅外可調諧激光在無(wú)論是氣體傳感、環(huán)境監測還是化學(xué)分析中，中紅外可調諧激光器都是bi不可 少的工具?？茖W(xué)家們通過(guò)調整激光的波長(cháng)，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(xiàn)。這樣一來(lái)，他們可以獲得有關(guān)物質(zhì)組成和性質(zhì)的詳細信息，如同破解了一本藏滿(mǎn)秘密的密碼書(shū)。

在醫學(xué)成像領(lǐng)域，中紅外可調諧激光器也發(fā)揮著(zhù)重要作用。它們被廣泛應用于非侵入性診斷和成像技術(shù)中。通過(guò)精確調諧激光的波長(cháng)，中紅外光線(xiàn)可以穿透生物組織，帶來(lái)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。

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國防和安全領(lǐng)域同樣離不開(kāi)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dao彈的對抗中，這些激光器發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。例如，定向紅外對抗系統(DIRCM)就能保護飛機免受dao彈的追蹤與攻擊。通過(guò)快速調整激光的波長(cháng)，這些系統可以干擾來(lái)襲dao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(shù)是對地球的觀(guān)測和監測的重要手段，而其中紅外可調諧激光器扮演著(zhù)關(guān)鍵角色。環(huán)境監測、大氣研究和地球觀(guān)測等領(lǐng)域都依賴(lài)于這些激光器的應用。中紅外可調諧激光器使科學(xué)家能夠測量大氣中氣體的特定吸收線(xiàn)，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(yè)環(huán)境中，中紅外可調諧激光器被廣泛用于精密材料加工。通過(guò)將激光調整到某些材料所強烈吸收的波長(cháng)，它們實(shí)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(lǐng)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(yè)界能夠雕琢出精雕細刻的產(chǎn)品，顯現出技術(shù)的華彩光芒。

近紅外至中紅外可調諧激光器產(chǎn)品類(lèi)型和選型特點(diǎn)

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(lèi)型的鉛鹽激光器，以及常見(jiàn)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(zhù)重討論幾種可以可以在近紅外至中紅外大范圍波長(cháng)可調的激光原理技術(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(xiàn)性頻率轉換系統中，用一個(gè)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(kāi)關(guān)激光器作為泵浦源。 用于此類(lèi)應用的常見(jiàn)晶體材料有二 磷 hua 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(lián) OPO：di一個(gè) OPO 將 1 μm 激光輻射轉換為更長(cháng)的波長(cháng)，然后用于泵浦實(shí)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(cháng)限制主要是優(yōu)于在長(cháng)波長(cháng)處增加閑頻光吸收。所以 基于此原理的OPO 通常會(huì )有一個(gè)諧振信號。

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

昊量光電可提供以下一些常見(jiàn)的產(chǎn)品參數表：

2. CWOPO

相比較于一般OPO的脈沖激發(fā)，進(jìn)來(lái)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(lèi)產(chǎn)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(cháng)，于此同時(shí)，相比于脈沖OPO，此類(lèi)產(chǎn)品可以提供很you秀的線(xiàn)寬 （<100 MHz ）

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

昊量光電可提供以下一些常見(jiàn)的產(chǎn)品參數表：

3.量子級聯(lián)激光器

量子級聯(lián)激光器是半導體激光器領(lǐng)域一個(gè)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(guò)設計半導體層結構的細節，讓躍遷的光子能量（及波長(cháng)）可以在很寬的范圍內變化。除此之外，通過(guò)外腔器件也能做到覆蓋一些重要的波長(cháng)調諧范圍（有時(shí)超過(guò)中心波長(cháng)的 10%）。

雖然目前需要低溫冷卻才可達到它的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(shí)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(guò)優(yōu)化，其輸出功率可以達到1W，但是該類(lèi)激光器的輸出功率仍然低于常見(jiàn)的紅外激光器。

因為，在量子級聯(lián)激光器主要應用于光譜學(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(jiàn)參數和類(lèi)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(zhù)的應用區別。

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

OPO是一種非線(xiàn)性光學(xué)設備，利用非線(xiàn)性光學(xué)晶體或光纖中的參量過(guò)程產(chǎn)生新的波長(cháng)，包括中紅外波段。OPO通過(guò)泵浦光源激發(fā)參量振蕩，其中振蕩器中的非線(xiàn)性材料將泵浦光分裂成信號光和輔助光。信號光波長(cháng)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(guò)調整泵浦光的頻率或非線(xiàn)性晶體的相位匹配條件，可以在中紅外范圍內實(shí)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(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用。

量子級聯(lián)（Quantum Cascade）：

量子級聯(lián)激光器是一種基于半導體超晶格結構的激光器，通過(guò)量子級聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生中紅外激光。在量子級聯(lián)激光器中，電子在多個(gè)能帶之間通過(guò)逐級躍遷的過(guò)程釋放能量，產(chǎn)生連續可調諧的中紅外輻射。

應用區別：

量子級聯(lián)激光器具有較高的功率和較窄的光譜線(xiàn)寬，適用于高分辨光譜測量、激光雷達、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)行中紅外激光應用的場(chǎng)合，例如工業(yè)檢測、環(huán)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(lián)激光器則更適用于高功率、窄線(xiàn)寬和高溫。

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

1.頻率可調諧性：

OPO：可實(shí)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(lián)：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。

2. 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(lián)：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。

3. 光譜線(xiàn)寬：

OPO：光譜線(xiàn)寬較窄，通常在幾千兆赫茲至數十兆赫茲范圍內。

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

4. 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(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(yè)產(chǎn)品的具體參數。實(shí)際的參數取決于產(chǎn)品型號、技術(shù)進(jìn)展以及制造商的設計和性能要求。在選擇具體的商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，zui 好參考產(chǎn)品規格表和廠(chǎng)商提供的技術(shù)文檔以獲取準確的參數信息。

超連續譜光源

有一些基于超連續譜生成產(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(guò)這些光纖發(fā)送強烈的光脈沖，從而產(chǎn)強烈的非線(xiàn)性相互作用。

如果需要可調的窄線(xiàn)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(huì )利用全部的光譜。一個(gè)例子是光學(xué)相干斷層掃描(OCT)，該過(guò)程經(jīng)常會(huì )在較短的波段下進(jìn)行，但中紅外光在此應用上的優(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用中很有用。然而，應該注意的是，OPO/OPA 很復雜，易受振動(dòng)影響，需要經(jīng)常維護，并且難以擴大功率。QCL 可以覆蓋 ~3.5–12 的顯著(zhù)發(fā)射波段 μm，但它們發(fā)射低輸出功率，每個(gè)激光器輸出波長(cháng)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(fā)生器顯得非常有趣，主要是由于它們的du 特特性，其中zui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(jiàn)的中紅外超連續譜產(chǎn)品參數：

微型中紅外光源

目前有許多嘗試開(kāi)發(fā)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(jìn)行開(kāi)發(fā)的。無(wú)奈的是，在芯片上實(shí)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(kāi)展過(guò)研究。一個(gè)例子是集成光源到其他半導體上，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(guò)這樣不會(huì )得到空間相干輻射。

還有其他基于非線(xiàn)性頻率轉換，利用克爾非線(xiàn)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，因應用不廣，此處不做過(guò)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(lèi)型對比選型參考：

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