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(shí)一些注意事項(xiàng)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(zhǎng)大于 ~ 700–800 nm（可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍的上限）的光。

該描述中沒(méi)有明確定義具體波長(zhǎng)下限是因?yàn)槿搜蹖?duì)于對(duì)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(zhǎng)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(xiǎn)--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(qū)域（也稱(chēng) IR-A），范圍~ 750 至 1400 nm

在這個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域發(fā)射的激光很容易噪聲人眼安全問(wèn)題，因?yàn)槿搜劬劢构δ芗嫒萁t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(hù)性眨眼反射。 導(dǎo)致人眼因?yàn)楦兄幻舾卸沟靡暰W(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(hù)。

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

這個(gè)區(qū)域?qū)ρ劬?lái)說(shuō)相對(duì)安全，因?yàn)檫@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(yùn)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(gè)波段會(huì)出現(xiàn)就吸收譜線(xiàn)，例如 二氧化碳 (CO(2)) 和水蒸氣 (H(2)O)。

也因?yàn)樵S多氣體在這個(gè)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(duì)于大氣中氣體檢測(cè)。

• 長(zhǎng)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(kāi)始，見(jiàn)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(zhǎng)激光器，它們可能包含上述中的短波長(zhǎng)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(yīng)用

這個(gè)波段的個(gè)光源的典型應(yīng)用是在微量氣體的激光吸收光譜中的識(shí)別（例如醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guò)近紅外區(qū)的泛吸收線(xiàn)來(lái)研究其中一些分子，因?yàn)榻t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(xiàn)具有更高的靈敏度是有優(yōu)勢(shì)的。

在中紅外成像中，這個(gè)波段的個(gè)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(shì)。例如在對(duì)應(yīng)的高光譜成像應(yīng)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(yīng)用也變得越來(lái)越實(shí)用。通常，人們利用某些材料對(duì)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(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(dǎo)電膜需要通過(guò)選擇性激光燒蝕進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。另一個(gè)例子是光纖上涂層的精確剝離。此類(lèi)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jun方用于針對(duì)熱導(dǎo)導(dǎo)dao彈的定向紅外對(duì)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(jiǎn)單的缺口濾光片保護(hù)紅外探測(cè)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(jí)聯(lián)激光器很多用于此類(lèi)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(guò)鎖模激光器來(lái)生成。

特別的是，對(duì)于近紅外至中紅外的光源，一些應(yīng)用對(duì)于掃描波長(zhǎng)或者波長(zhǎng)可調(diào)有著特別需求，而近紅外至中紅外波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器在這些應(yīng)用中也扮演著ji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(wú)論是氣體傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)還是化學(xué)分析中，中紅外可調(diào)諧激光器都是bi不可 少的工具?？茖W(xué)家們通過(guò)調(diào)整激光的波長(zhǎng)，將其精確地定位在中紅外范圍內(nèi)，以此探測(cè)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(xì)信息，如同破解了一本藏滿(mǎn)秘密的密碼書(shū)。

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(guò)精確調(diào)諧激光的波長(zhǎng)，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(duì)于檢測(cè)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。

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國(guó)防和安全領(lǐng)域同樣離不開(kāi)中紅外可調(diào)諧激光器的應(yīng)用。在紅外對(duì)抗中，尤其是針對(duì)熱追蹤dao彈的對(duì)抗中，這些激光器發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，定向紅外對(duì)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(guò)快速調(diào)整激光的波長(zhǎng)，這些系統(tǒng)可以干擾來(lái)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(duì)地球的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)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(cè)、大氣研究和地球觀測(cè)等領(lǐng)域都依賴(lài)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(cè)量大氣中氣體的特定吸收線(xiàn)，提供了寶貴的數(shù)據(jù)，助力氣候研究、污染監(jiān)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)，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(guò)將激光調(diào)整到某些材料所強(qiáng)烈吸收的波長(zhǎng)，它們實(shí)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(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，這里著重討論幾種可以可以在近紅外至中紅外大范圍波長(zhǎng)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(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(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(kāi)關(guān)激光器作為泵浦源。 用于此類(lèi)應(yīng)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(qū)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(zhuǎn)換為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，然后用于泵浦實(shí)際的中紅外 OPO。

而后者的信號(hào)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(zhǎng)限制主要是優(yōu)于在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(hào)。

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(zhǎng)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(jiàn)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(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(nèi)提供連續(xù)可調(diào)的輸出波長(zhǎng)，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(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(jiàn)的產(chǎn)品參數(shù)表：

3.量子級(jí)聯(lián)激光器

量子級(jí)聯(lián)激光器是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域一個(gè)相對(duì)較新的發(fā)展方向。

量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器能夠通過(guò)設(shè)計(jì)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(zhǎng)）可以在很寬的范圍內(nèi)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(zhǎng)調(diào)諧范圍（有時(shí)超過(guò)中心波長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器仍可以做到在室溫下運(yùn)行，甚至是連續(xù)運(yùn)行。量子級(jí)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(yuǎn)低于 1 ns ，雖然峰值功率相當(dāng)有限。

對(duì)于功率而言，雖然通過(guò)優(yōu)化，其輸出功率可以達(dá)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?yàn)?，在量子?jí)聯(lián)激光器主要應(yīng)用于光譜學(xué)領(lǐng)域中，量級(jí)級(jí)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(shù)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(jí)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(xiàn)性光學(xué)設(shè)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(zhǎng)，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(hào)光和輔助光。信號(hào)光波長(zhǎng)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(guò)調(diào)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(nèi)實(shí)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(cè)、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(jí)聯(lián)（Quantum Cascade）：

量子級(jí)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(guò)量子級(jí)聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生中紅外激光。在量子級(jí)聯(lián)激光器中，電子在多個(gè)能帶之間通過(guò)逐級(jí)躍遷的過(guò)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(jí)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(cè)量、激光雷達(dá)、紅外成像等領(lǐng)域。

量子級(jí)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(chǎng)合，例如工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jí)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(shù)數(shù)值差別對(duì)比因產(chǎn)品型號(hào)和制造商而異，以下是一些常見(jiàn)參數(shù)對(duì)比的示例：

1.頻率可調(diào)諧性：

OPO：可實(shí)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(jí)聯(lián)：頻率調(diào)諧范圍相對(duì)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(jí)別，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%以上。

量子級(jí)聯(lián)：輸出功率通常在幾十毫瓦至幾百毫瓦級(jí)別，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(shù)十兆赫茲范圍內(nèi)。

量子級(jí)聯(lián)：光譜線(xiàn)寬相對(duì)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(jí)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(shí)際的參數(shù)取決于產(chǎn)品型號(hào)、技術(shù)進(jìn)展以及制造商的設(shè)計(jì)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(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(yùn)作，通過(guò)這些光纖發(fā)送強(qiáng)烈的光脈沖，從而產(chǎn)強(qiáng)烈的非線(xiàn)性相互作用。

如果需要可調(diào)的窄線(xiàn)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(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(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)在于中紅外光的散射較少，相對(duì)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(jí)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(dòng)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(gè)激光器輸出波長(zhǎng)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du 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(jiàn)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(kāi)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(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。無(wú)奈的是，在芯片上實(shí)現(xiàn)中紅外光源并不容易，這也使得人們對(duì)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(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(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(zhuǎn)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(yīng)用不廣，此處不做過(guò)多詳細(xì)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(duì)比選型參考：

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關(guān)于昊量光電：

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