Piano di selezione del laser sintonizzabile dal vicino infrarosso al medio infrarosso

Questo articolo ha lo scopo di discutere alcune considerazioni e suggerimenti di programma quando si selezionano sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso. Questo articolo introduce e confronta principalmente brevemente le quattro principali categorie di oscillatori parametrici ottici (OPO), amplificatori parametrici ottici (OPA), laser a cascata quantistica e sorgenti di luce supercontinua.

1.Diverse definizioni di range spettrali

In generale, quando le persone parlano di sorgenti di luce infrarossa, si riferiscono alla luce con lunghezze d'onda del vuoto superiori a ~700–800 nm (il limite superiore della gamma di lunghezze d'onda visibili).

Il limite inferiore specifico della lunghezza d'onda non è chiaramente definito in questa descrizione perché la percezione dell'infrarosso da parte dell'occhio umano diminuisce lentamente anziché interrompersi in un dirupo.

Ad esempio, la risposta della luce a 700 nm all'occhio umano è già molto bassa, ma se la luce è abbastanza forte, l'occhio umano può vedere anche la luce emessa da alcuni diodi laser con lunghezze d'onda superiori a 750 nm, che rendono anche gli infrarossi i laser rappresentano un rischio per la sicurezza. --Anche se non è molto luminoso all'occhio umano, la sua potenza effettiva potrebbe essere molto elevata.

Allo stesso modo, come l'intervallo del limite inferiore della sorgente di luce a infrarossi (700~800 nm), anche l'intervallo di definizione del limite superiore della sorgente di luce a infrarossi è incerto. In generale è di circa 1 mm.

Ecco alcune definizioni comuni della banda degli infrarossi:

——Regione spettrale del vicino infrarosso (chiamata anche IR-A), portata ~750-1400 nm.
I laser emessi in questa regione di lunghezza d'onda sono soggetti a problemi di rumore e di sicurezza dell'occhio umano, poiché la funzione di messa a fuoco dell'occhio umano è compatibile con le gamme di luce del vicino infrarosso e della luce visibile, in modo che la sorgente luminosa della banda del vicino infrarosso possa essere trasmessa e focalizzata al retina sensibile allo stesso modo, ma la luce della banda del vicino infrarosso non attiva il riflesso protettivo dell'ammiccamento. Di conseguenza, la retina dell'occhio umano viene danneggiata da un'energia eccessiva dovuta all'insensibilità. Pertanto, quando si utilizzano sorgenti luminose in questa banda, è necessario prestare la massima attenzione alla protezione degli occhi.

——Intervallo degli infrarossi a lunghezza d'onda corta (SWIR, IR-B) da 1,4-3 μm.
Quest'area è relativamente sicura per gli occhi perché la luce viene assorbita dall'occhio prima che raggiunga la retina. Ad esempio, in questa regione operano gli amplificatori in fibra drogata con erbio utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica.
——La portata degli infrarossi a onde medie (MWIR) è 3-8 μm.
L'atmosfera mostra un forte assorbimento in alcune parti della regione; molti gas atmosferici avranno linee di assorbimento in questa banda, come l'anidride carbonica (CO2) e il vapore acqueo (H2O). Anche perché molti gas mostrano un forte assorbimento in questa banda. Le forti caratteristiche di assorbimento rendono questa regione spettrale ampiamente utilizzata per il rilevamento dei gas nell'atmosfera.

——La portata degli infrarossi a onda lunga (LWIR) è 8-15 μm.
——Segue l'infrarosso lontano (FIR), che varia da 15 μm-1 mm (ma esistono anche definizioni a partire da 50 μm, vedere ISO 20473). Questa regione spettrale viene utilizzata principalmente per la termografia.
Questo articolo si propone di discutere la selezione di laser a lunghezza d'onda regolabile a banda larga con sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso, che possono includere i suddetti infrarossi a lunghezza d'onda corta (SWIR, IR-B, che vanno da 1,4-3 μm) e parte dell'infrarosso a onda media (MWIR, la portata è 3-8 μm).

2. Applicazione tipica

Una tipica applicazione delle sorgenti luminose in questa banda è l'identificazione di spettri di assorbimento laser in gas in tracce (ad esempio telerilevamento nella diagnosi medica e nel monitoraggio ambientale). In questo caso l'analisi sfrutta le bande di assorbimento forti e caratteristiche di molte molecole nella regione spettrale del medio infrarosso, che fungono da "impronte digitali molecolari". Sebbene sia possibile studiare alcune di queste molecole anche attraverso linee di pan-assorbimento nella regione del vicino infrarosso, poiché le sorgenti laser nel vicino infrarosso sono più facili da preparare, ci sono vantaggi nell'utilizzare forti linee di assorbimento fondamentale nella regione del medio infrarosso con maggiore sensibilità .

Nell'imaging nel medio infrarosso vengono utilizzate anche sorgenti luminose in questa banda. Le persone di solito traggono vantaggio dal fatto che la luce nel medio infrarosso può penetrare più in profondità nei materiali e ha una minore dispersione. Ad esempio, nelle corrispondenti applicazioni di imaging iperspettrale, dal vicino infrarosso al medio infrarosso può fornire informazioni spettrali per ciascun pixel (o voxel).

Grazie al continuo sviluppo delle sorgenti laser nel medio infrarosso, come i laser a fibra, le applicazioni laser per la lavorazione di materiali non metallici stanno diventando sempre più pratiche. In genere, le persone sfruttano il forte assorbimento della luce infrarossa da parte di alcuni materiali, come le pellicole polimeriche, per rimuovere selettivamente i materiali.

Un caso tipico è che i film conduttivi trasparenti di ossido di indio-stagno (ITO) utilizzati per gli elettrodi nei dispositivi elettronici e optoelettronici devono essere strutturati mediante ablazione laser selettiva. Un altro esempio è la rimozione precisa dei rivestimenti sulle fibre ottiche. I livelli di potenza richiesti in questa banda per tali applicazioni sono generalmente molto inferiori a quelli richiesti per applicazioni come il taglio laser.

Le sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso vengono utilizzate anche dai militari per contromisure direzionali a infrarossi contro i missili a ricerca di calore. Oltre a una maggiore potenza di uscita adatta per accecare le telecamere a infrarossi, è necessaria anche un'ampia copertura spettrale all'interno della banda di trasmissione atmosferica (intorno a 3-4 μm e 8-13 μm) per impedire che semplici filtri dentellati proteggano i rilevatori a infrarossi.

La finestra di trasmissione atmosferica sopra descritta può essere utilizzata anche per comunicazioni ottiche nello spazio libero tramite raggi direzionali e in molte applicazioni vengono utilizzati laser a cascata quantistica.

In alcuni casi sono necessari impulsi ultracorti nel medio infrarosso. Ad esempio, si potrebbero utilizzare pettini di frequenza del medio infrarosso nella spettroscopia laser o sfruttare le elevate intensità di picco degli impulsi ultracorti per il laser. Questo può essere generato con un laser con modalità bloccata.

In particolare, per le sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso, alcune applicazioni hanno requisiti speciali per la scansione delle lunghezze d'onda o la sintonizzazione della lunghezza d'onda, e anche i laser sintonizzabili con lunghezza d'onda dal vicino infrarosso al medio infrarosso svolgono un ruolo estremamente importante in queste applicazioni.

Ad esempio, nella spettroscopia, i laser sintonizzabili nel medio infrarosso sono strumenti essenziali, sia nel rilevamento dei gas, nel monitoraggio ambientale o nell’analisi chimica. Gli scienziati regolano la lunghezza d'onda del laser per posizionarlo con precisione nella gamma del medio infrarosso per rilevare specifiche linee di assorbimento molecolare. In questo modo possono ottenere informazioni dettagliate sulla composizione e le proprietà della materia, come decifrare un libro di codici pieno di segreti.

Nel campo dell’imaging medico, anche i laser sintonizzabili nel medio infrarosso svolgono un ruolo importante. Sono ampiamente utilizzati nelle tecnologie diagnostiche e di imaging non invasive. Sintonizzando con precisione la lunghezza d'onda del laser, la luce nel medio infrarosso può penetrare nel tessuto biologico, producendo immagini ad alta risoluzione. Questo è importante per individuare e diagnosticare malattie e anomalie, come una luce magica che scruta i segreti più intimi del corpo umano.

Il campo della difesa e della sicurezza è anche inseparabile dall'applicazione dei laser sintonizzabili nel medio infrarosso. Questi laser svolgono un ruolo chiave nelle contromisure a infrarossi, in particolare contro i missili a ricerca di calore. Ad esempio, il sistema di contromisure direzionali a infrarossi (DIRCM) può proteggere gli aerei dall’essere tracciati e attaccati dai missili. Regolando rapidamente la lunghezza d'onda del laser, questi sistemi possono interferire con il sistema di guida dei missili in arrivo e cambiare istantaneamente le sorti della battaglia, come una spada magica a guardia del cielo.

La tecnologia di telerilevamento è un mezzo importante per osservare e monitorare la terra, in cui i laser sintonizzabili a infrarossi svolgono un ruolo chiave. Campi come il monitoraggio ambientale, la ricerca atmosferica e l’osservazione della Terra si basano tutti sull’uso di questi laser. I laser sintonizzabili nel medio infrarosso consentono agli scienziati di misurare specifiche linee di assorbimento dei gas nell’atmosfera, fornendo dati preziosi per aiutare la ricerca sul clima, il monitoraggio dell’inquinamento e le previsioni meteorologiche, come uno specchio magico in grado di vedere i misteri della natura.

Negli ambienti industriali, i laser sintonizzabili nel medio infrarosso sono ampiamente utilizzati per la lavorazione di precisione dei materiali. Sintonizzando i laser su lunghezze d'onda fortemente assorbite da determinati materiali, consentono l'ablazione, il taglio o la saldatura selettiva. Ciò consente una produzione di precisione in settori quali l’elettronica, i semiconduttori e la microlavorazione. Il laser sintonizzabile nel medio infrarosso è come un coltello da intaglio finemente lucidato, che consente all'industria di ritagliare prodotti finemente intagliati e mostrare la brillantezza della tecnologia.

3. Tipi di prodotti laser sintonizzabili dal vicino infrarosso al medio infrarosso e caratteristiche di selezione

Molte tecnologie possono produrre laser dal vicino infrarosso al medio infrarosso, come vari tipi di laser al sale di piombo basati sui primi composti di piombo ternari o composti quaternari, nonché comuni laser sfusi con isolante drogato, vari laser a fibra e laser a gas di anidride carbonica. Aspetta, qui ci concentreremo su diverse tecnologie e prodotti basati sul principio laser che possono essere sintonizzati su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dal vicino infrarosso al medio infrarosso.

①Oscillatori, amplificatori e generatori parametrici ottici (OPO e OPA)

In un sistema di conversione di frequenza non lineare, un laser nel vicino infrarosso, un oscillatore parametrico ottico (OPO), un amplificatore (OPA) o un generatore (OPG) possono essere utilizzati per generare luce inattiva nella regione spettrale del medio infrarosso, come:
Nei laser nel medio infrarosso OPO a nanosecondi, i laser Q-switched possono essere utilizzati come sorgenti di pompa. I materiali cristallini comuni utilizzati per tali applicazioni sono fosfuro di zinco germanio (ZGP, ZnGeP2), solfuro e seleniuro di gallio argento (AgGaS2, AgGaSe2), seleniuro di gallio (GaSe) e seleniuro di cadmio (CdSe).
Poiché molti di questi materiali sono opachi nella regione di 1 μm, è spesso necessario utilizzare OPO in serie: il primo OPO converte la radiazione laser da 1 μm in una lunghezza d'onda più lunga, che viene poi utilizzata per pompare l'effettivo OPO nel medio infrarosso. Il segnale e la frequenza di riposo di quest'ultimo possono trovarsi entrambi nella regione dello spettro dell'infrarosso medio.
Il laser Nd:YVO4 a picosecondi con modalità bloccata da 1064 nm può anche essere utilizzato per pompare in modo sincrono cristalli OPO e LiNbO3, consentendo all'emissione di luce inattiva di raggiungere 4 μm o addirittura 4,5 μm. La sua limitazione della lunghezza d'onda è principalmente superiore all'aumento dell'assorbimento della luce inattiva a lunghe lunghezze d'onda. Pertanto gli OPO basati su questo principio hanno solitamente un segnale di risonanza. Un dispositivo del genere potrebbe facilmente generare impulsi con energia dell’ordine di decine di millijoule. La lunghezza d'onda di uscita è sintonizzabile su centinaia di nanometri.

②CWOPO

Rispetto all'eccitazione dell'impulso dell'OPO generale, i recenti prodotti della tecnologia CWOPO forniscono laser nel medio infrarosso basati sulla seguente struttura:

1) Laser e amplificatori in fibra DFB;

2) Controllo laser fibra DFB;

3) Parte ottica e controllo OPO;
Questo tipo di prodotto può fornire una lunghezza d'onda di uscita regolabile in modo continuo nella gamma del medio infrarosso di 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Allo stesso tempo, rispetto all'OPO a impulsi, questo tipo di prodotto può fornire un'eccellente larghezza di linea. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Laser a cascata quantistica

I laser a cascata quantistica rappresentano una direzione di sviluppo relativamente nuova nel campo dei laser a semiconduttore.

La differenza tra i laser a cascata quantistica e i primi laser a semiconduttore nel medio infrarosso basati su transizioni interbanda è che funziona in base a transizioni inter-sottobanda.

Ciò consente ai laser a cascata quantistica di progettare i dettagli della struttura dello strato semiconduttore in modo che l’energia dei fotoni di transizione (e quindi la lunghezza d’onda) possa essere variata su un ampio intervallo. Inoltre, alcuni importanti intervalli di sintonia delle lunghezze d'onda (a volte superiori al 10% della lunghezza d'onda centrale) possono essere coperti anche tramite dispositivi a cavità esterna.

Sebbene il raffreddamento criogenico sia attualmente necessario per ottenere prestazioni ottimali, molti laser a cascata quantistica possono ancora funzionare a temperatura ambiente, anche in modo continuo. I laser a cascata quantistica possono essere utilizzati anche per generare laser pulsati con tempi di impulso anche ben inferiori a 1 ns, sebbene la potenza di picco sia piuttosto limitata.

In termini di potenza, sebbene la sua potenza in uscita possa raggiungere 1 W attraverso l'ottimizzazione, la potenza in uscita di questo tipo di laser è ancora inferiore a quella dei comuni laser a infrarossi. Perché nel campo dei laser a cascata quantistica, che vengono utilizzati principalmente nella spettroscopia, i laser a cascata quantistica sono limitati alle transizioni con energia fononica inferiore.

Ecco alcuni parametri e tipi comuni:
Tubo laser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tubo laser DFB pulsato 700 cm-1-2350 cm-1
Tubo laser DFB refrigerato 645 cm-1-2370 cm-1

L'OPO (oscillatore ottico parametrico) e la cascata quantistica sono due tecnologie comunemente utilizzate nella generazione laser nel medio infrarosso e presentano alcune differenze applicative significative.

OPO (oscillatore ottico parametrico, oscillatore ottico parametrico):

L'OPO è un dispositivo ottico non lineare che utilizza processi parametrici in cristalli ottici non lineari o fibre ottiche per generare nuove lunghezze d'onda, inclusa la banda del medio infrarosso. L'OPO eccita oscillazioni parametriche attraverso una sorgente luminosa a pompa, dove i materiali non lineari nell'oscillatore dividono la luce della pompa in luce di segnalazione e luce ausiliaria. La lunghezza d'onda della luce del segnale è regolabile nella gamma del medio infrarosso, mentre la luce ausiliaria funge da feedback alla sorgente luminosa della pompa. L'OPO ha un'elevata efficienza di conversione e un'ampia gamma di sintonizzazione della frequenza, quindi è ampiamente utilizzato nella ricerca e nelle applicazioni laser nel medio infrarosso.

Differenza applicativa: OPO è adatto per applicazioni che richiedono la sintonizzazione della frequenza. Regolando la frequenza della luce della pompa o le condizioni di corrispondenza di fase del cristallo non lineare, è possibile ottenere un'emissione laser sintonizzabile in modo continuo nella gamma del medio infrarosso. L'OPO può essere utilizzato nell'analisi spettrale, nel rilevamento di gas, nell'imaging biomedico e in altri campi ed è particolarmente adatto per applicazioni che richiedono analisi ad alta sensibilità o imaging microscopico nella banda del medio infrarosso.

Cascata Quantistica:

Il laser a cascata quantistica è un laser basato su una struttura superreticolare a semiconduttore che genera luce laser nel medio infrarosso attraverso un processo a cascata quantistica. In un laser a cascata quantistica, gli elettroni rilasciano energia attraverso un processo di transizione passo-passo tra più bande di energia, producendo radiazione nel medio infrarosso sintonizzabile in modo continuo.

Differenze applicative: i laser a cascata quantistica hanno una potenza maggiore e una larghezza di linea spettrale più stretta e sono adatti per misurazioni spettrali ad alta risoluzione, lidar, imaging a infrarossi e altri campi. I laser a cascata quantistica possono funzionare anche in ambienti ad alta temperatura, quindi sono adatti per applicazioni che richiedono laser nel medio infrarosso in condizioni difficili, come l'ispezione industriale, il monitoraggio ambientale, ecc.

Per riassumere, l’OPO viene utilizzato principalmente per applicazioni con sintonizzabilità ad alta frequenza, mentre i laser a cascata quantistica sono più adatti per alta potenza, larghezza di linea ridotta e alta temperatura.

Il confronto specifico delle differenze dei valori dei parametri varia in base al modello del prodotto e al produttore. Di seguito sono riportati esempi di alcuni confronti di parametri comuni:

—— Sintonizzazione della frequenza:

OPO: è possibile ottenere un'emissione laser nel medio infrarosso sintonizzabile in modo continuo, con una gamma di frequenza solitamente da centinaia di megahertz a diversi gigahertz o più ampia.

Cascata quantistica: l'intervallo di sintonizzazione della frequenza è relativamente ristretto, solitamente da decine a centinaia di megahertz o meno.

——Potenza ed efficienza in uscita:

OPO: La potenza di uscita è solitamente compresa tra diverse centinaia di milliwatt e diversi watt e l'efficienza di conversione può raggiungere oltre il 10%.

Cascata quantistica: la potenza di uscita è solitamente compresa tra decine e centinaia di milliwatt e l'efficienza di conversione può raggiungere oltre il 20%.

——Larghezza di riga spettrale:

OPO: La larghezza della riga spettrale è stretta, solitamente nell'intervallo da diversi gigahertz a decine di megahertz.

Cascata quantistica: l'ampiezza della riga spettrale è relativamente ampia, solitamente nell'intervallo da decine di gigahertz a centinaia di megahertz.

--Temperatura di esercizio:

OPO: di solito deve funzionare a una temperatura ambiente più stabile o vicina alla temperatura ambiente.

Cascata quantistica: può funzionare a temperature operative più elevate, solitamente superiori alla temperatura ambiente, anche fino a decine di gradi Celsius.

Va notato che questi valori sono solo di riferimento generale e non rappresentano i parametri specifici di tutti i prodotti commerciali. I parametri effettivi dipendono dal modello del prodotto, dai progressi tecnologici e dai requisiti di progettazione e prestazione del produttore. Quando si seleziona un prodotto commerciale specifico, è meglio fare riferimento alla scheda tecnica del prodotto e alla documentazione tecnica fornita dal produttore per informazioni precise sui parametri.

④Sorgente luminosa supercontinua

Esistono alcune sorgenti luminose basate sulla generazione del supercontinuo che coprono un'ampia porzione della banda del medio infrarosso. Una tale sorgente luminosa potrebbe funzionare sulla base di determinate fibre ottiche nel medio infrarosso, attraverso le quali vengono inviati intensi impulsi di luce per creare forti interazioni non lineari.

Se è necessaria una luce sintonizzabile a larghezza di linea stretta, è possibile utilizzare filtri sintonizzabili per estrarre i componenti spettrali desiderati dalla luce ad ampio spettro. In alcuni casi viene utilizzato l’intero spettro. Un esempio è la tomografia a coerenza ottica (OCT). Questo processo viene spesso eseguito su bande di lunghezze d'onda più corte. Tuttavia, il vantaggio della luce nel medio infrarosso in questa applicazione è che la luce nel medio infrarosso è meno diffusa. Rispetto alle bande di lunghezza d'onda più corte, ha la capacità di penetrare più in profondità.

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), ha una larghezza di banda più ampia, una maggiore coerenza spaziale, direzionalità e luminosità rispetto ai laser tradizionali.

⑤Micro sorgente luminosa a medio infrarosso

Attualmente esistono molti tentativi di sviluppare circuiti integrati fotonici per applicazioni nel medio infrarosso, come quelli basati su piattaforme fotoniche al silicio. Sfortunatamente, non è facile implementare una sorgente luminosa nel medio infrarosso su un chip, il che ha portato alla ricerca su molti metodi possibili. Un esempio è l’integrazione di sorgenti luminose su altri semiconduttori e, sebbene ciò presenti difficoltà tecniche, ci sono anche esempi che coinvolgono la tecnologia di incollaggio flip-chip. Un'altra possibilità è quella di integrare emettitori di corpo nero (→ radiazione termica) o materiali luminescenti, sebbene ciò non dia luogo ad una radiazione spazialmente coerente.

Esistono altri metodi basati sulla conversione di frequenza non lineare, che utilizzano la non linearità di Kerr per la miscelazione a quattro onde o lo scattering Raman stimolato. E utilizzando i microrisonatori è possibile generare anche pettini di frequenza.

Oltretutto

Di seguito sono riportate alcune sorgenti luminose nel medio infrarosso utilizzate meno frequentemente. Poiché non sono ampiamente utilizzati, non verranno discussi in modo troppo dettagliato in questa sede, come i laser a elettroni liberi e i laser a CO₂ a frequenza raddoppiata.

Sulla base di quanto sopra, quanto segue è un riferimento per il confronto e la selezione di vari tipi di laser: