Rencana pemilihan laser merdu inframerah-dekat hingga inframerah-tengah

Artikel ini bertujuan untuk membahas beberapa pertimbangan dan saran program ketika memilih sumber cahaya inframerah-dekat hingga inframerah-tengah. Artikel ini secara singkat memperkenalkan dan membandingkan empat kategori utama osilator parametrik optik (OPO), penguat parametrik optik (OPA), laser kaskade kuantum, dan sumber cahaya superkontinuum.

1. Definisi rentang spektral yang berbeda

Secara umum, ketika orang berbicara tentang sumber cahaya inframerah, yang mereka maksud adalah cahaya dengan panjang gelombang vakum lebih besar dari ~700–800 nm (batas atas rentang panjang gelombang tampak).

Batas bawah panjang gelombang spesifik tidak didefinisikan dengan jelas dalam uraian ini karena persepsi mata manusia terhadap inframerah perlahan-lahan menurun dan tidak terputus.

Misalnya respon cahaya pada 700 nm terhadap mata manusia sudah sangat rendah, namun jika cahayanya cukup kuat, mata manusia bahkan dapat melihat cahaya yang dipancarkan oleh beberapa dioda laser dengan panjang gelombang melebihi 750 nm, yang juga menghasilkan inframerah. laser merupakan risiko keamanan. --Meskipun tidak terlalu terang bagi mata manusia, kekuatan sebenarnya mungkin sangat tinggi.

Demikian pula, seperti rentang batas bawah sumber cahaya inframerah (700~800 nm), rentang definisi batas atas sumber cahaya inframerah juga tidak pasti. Secara umum, ukurannya sekitar 1 mm.

Berikut adalah beberapa definisi umum dari pita inframerah:

——Wilayah spektral inframerah dekat (juga disebut IR-A), rentang ~750-1400 nm.
Laser yang dipancarkan di wilayah panjang gelombang ini rentan terhadap kebisingan dan masalah keamanan mata manusia, karena fungsi pemfokusan mata manusia kompatibel dengan rentang cahaya inframerah-dekat dan cahaya tampak, sehingga sumber cahaya pita inframerah-dekat dapat ditransmisikan dan difokuskan ke retina sensitif dengan cara yang sama, tetapi pita cahaya inframerah-dekat tidak memicu refleks kedipan pelindung. Akibatnya, retina mata manusia rusak akibat energi berlebih akibat ketidakpekaan. Oleh karena itu, saat menggunakan sumber cahaya pada pita ini, perhatian penuh harus diberikan pada pelindung mata.

——Inframerah dengan panjang gelombang pendek (SWIR, IR-B) berkisar antara 1.4-3 μm.
Area ini relatif aman bagi mata karena cahaya ini diserap mata sebelum mencapai retina. Misalnya, penguat serat yang didoping erbium yang digunakan dalam komunikasi serat optik beroperasi di wilayah ini.
——Rentang inframerah gelombang menengah (MWIR) adalah 3-8 μm.
Atmosfer menunjukkan daya serap yang kuat di beberapa bagian wilayah; banyak gas di atmosfer yang memiliki garis serapan pada pita ini, seperti karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O). Juga karena banyak gas yang menunjukkan serapan kuat pada pita ini Karakteristik serapan yang kuat membuat wilayah spektral ini banyak digunakan untuk mendeteksi gas di atmosfer.

——Jangkauan inframerah gelombang panjang (LWIR) adalah 8-15 μm.
——Berikutnya adalah inframerah jauh (FIR), yang berkisar antara 15 μm-1 mm (tetapi ada juga definisi yang dimulai dari 50 μm, lihat ISO 20473). Wilayah spektral ini terutama digunakan untuk pencitraan termal.
Artikel ini bertujuan untuk membahas pemilihan laser dengan panjang gelombang merdu broadband dengan sumber cahaya inframerah dekat hingga inframerah tengah, yang mungkin mencakup inframerah dengan panjang gelombang pendek di atas (SWIR, IR-B, berkisar antara 1.4-3 μm) dan bagian dari inframerah gelombang tengah (MWIR, rentangnya adalah 3-8 μm).

2. Aplikasi Khas

Penerapan khas sumber cahaya pada pita ini adalah identifikasi spektrum serapan laser pada gas jejak (misalnya penginderaan jauh dalam diagnosis medis dan pemantauan lingkungan). Di sini, analisis memanfaatkan pita serapan yang kuat dan khas dari banyak molekul di wilayah spektral inframerah tengah, yang berfungsi sebagai "sidik jari molekul". Meskipun kita juga dapat mempelajari beberapa molekul ini melalui jalur pan-absorpsi di wilayah inframerah-dekat, karena sumber laser inframerah-dekat lebih mudah disiapkan, terdapat keuntungan menggunakan jalur serapan fundamental yang kuat di wilayah inframerah-tengah dengan sensitivitas lebih tinggi. .

Dalam pencitraan inframerah-tengah, sumber cahaya pada pita ini juga digunakan. Orang-orang biasanya memanfaatkan fakta bahwa cahaya inframerah-tengah dapat menembus lebih dalam ke material dan memiliki hamburan yang lebih sedikit. Misalnya, dalam aplikasi pencitraan hiperspektral terkait, inframerah dekat hingga inframerah tengah dapat memberikan informasi spektral untuk setiap piksel (atau voxel).

Karena terus berkembangnya sumber laser inframerah-tengah, seperti laser serat, aplikasi pemrosesan bahan laser non-logam menjadi semakin praktis. Biasanya, orang memanfaatkan kuatnya penyerapan sinar infra merah oleh bahan tertentu, seperti film polimer, untuk menghilangkan bahan secara selektif.

Kasus tipikal adalah film konduktif transparan indium tin oxide (ITO) yang digunakan untuk elektroda pada perangkat elektronik dan optoelektronik perlu disusun dengan ablasi laser selektif. Contoh lainnya adalah pengupasan lapisan serat optik secara presisi. Tingkat daya yang diperlukan pada pita ini untuk aplikasi semacam itu biasanya jauh lebih rendah dibandingkan yang diperlukan untuk aplikasi seperti pemotongan laser.

Sumber cahaya inframerah-dekat hingga inframerah-tengah juga digunakan oleh militer untuk tindakan pencegahan inframerah terarah terhadap rudal pencari panas. Selain daya keluaran lebih tinggi yang cocok untuk membutakan kamera inframerah, cakupan spektral luas dalam pita transmisi atmosfer (sekitar 3-4 μm dan 8-13 μm) juga diperlukan untuk mencegah filter berlekuk sederhana melindungi detektor inframerah.

Jendela transmisi atmosfer yang dijelaskan di atas juga dapat digunakan untuk komunikasi optik ruang bebas melalui sinar terarah, dan laser kaskade kuantum digunakan dalam banyak aplikasi untuk tujuan ini.

Dalam beberapa kasus, pulsa ultrashort inframerah-tengah diperlukan. Misalnya, seseorang dapat menggunakan sisir frekuensi inframerah-tengah dalam spektroskopi laser, atau memanfaatkan intensitas puncak pulsa ultrashort yang tinggi untuk penguat. Ini dapat dihasilkan dengan laser mode-terkunci.

Khususnya, untuk sumber cahaya inframerah-dekat hingga inframerah-tengah, beberapa aplikasi memiliki persyaratan khusus untuk memindai panjang gelombang atau kemampuan penyesuaian panjang gelombang, dan laser merdu dengan panjang gelombang inframerah-dekat hingga inframerah-tengah juga memainkan peranan yang sangat penting dalam aplikasi-aplikasi ini.

Misalnya, dalam spektroskopi, laser merdu inframerah-tengah merupakan alat penting, baik dalam penginderaan gas, pemantauan lingkungan, atau analisis kimia. Para ilmuwan menyesuaikan panjang gelombang laser agar secara tepat memposisikannya dalam rentang inframerah tengah guna mendeteksi garis serapan molekul tertentu. Dengan cara ini, mereka dapat memperoleh informasi rinci tentang komposisi dan sifat materi, seperti memecahkan buku kode yang penuh rahasia.

Di bidang pencitraan medis, laser merdu inframerah-tengah juga memainkan peran penting. Mereka banyak digunakan dalam teknologi diagnostik dan pencitraan non-invasif. Dengan menyetel panjang gelombang laser secara tepat, cahaya inframerah tengah dapat menembus jaringan biologis, menghasilkan gambar beresolusi tinggi. Hal ini penting untuk mendeteksi dan mendiagnosis penyakit dan kelainan, seperti cahaya ajaib yang mengintip ke dalam rahasia terdalam tubuh manusia.

Bidang pertahanan dan keamanan juga tidak terlepas dari penerapan mid-infrared merdu laser. Laser ini memainkan peran penting dalam penanggulangan inframerah, terutama terhadap rudal pencari panas. Misalnya, Sistem Penanggulangan Inframerah Terarah (DIRCM) dapat melindungi pesawat agar tidak terlacak dan diserang oleh rudal. Dengan menyesuaikan panjang gelombang laser secara cepat, sistem ini dapat mengganggu sistem panduan rudal yang masuk dan langsung membalikkan keadaan pertempuran, seperti pedang ajaib yang menjaga langit.

Teknologi penginderaan jauh merupakan sarana penting dalam mengamati dan memantau bumi, di mana laser inframerah memainkan peran kuncinya. Bidang-bidang seperti pemantauan lingkungan, penelitian atmosfer, dan observasi bumi semuanya bergantung pada penggunaan laser ini. Laser merdu inframerah-tengah memungkinkan para ilmuwan mengukur garis penyerapan gas tertentu di atmosfer, memberikan data berharga untuk membantu penelitian iklim, pemantauan polusi, dan prakiraan cuaca, seperti cermin ajaib yang dapat melihat misteri alam.

Dalam lingkungan industri, laser merdu inframerah-tengah banyak digunakan untuk pemrosesan material yang presisi. Dengan menyetel laser ke panjang gelombang yang sangat diserap oleh bahan tertentu, laser memungkinkan ablasi, pemotongan, atau pengelasan selektif. Hal ini memungkinkan manufaktur presisi di berbagai bidang seperti elektronik, semikonduktor, dan mesin mikro. Laser merdu inframerah-tengah seperti pisau pahat yang dipoles halus, memungkinkan industri mengukir produk yang diukir dengan halus dan menunjukkan kecemerlangan teknologi.

3. Jenis produk dan karakteristik pemilihan laser merdu inframerah-dekat hingga inframerah-tengah

Banyak teknologi yang dapat menghasilkan laser inframerah-dekat hingga inframerah-tengah, seperti berbagai jenis laser garam timbal berdasarkan senyawa timbal terner awal atau senyawa kuaterner, serta laser massal isolator yang didoping, berbagai laser serat, dan laser gas karbon dioksida. Tunggu, di sini kami fokus pada beberapa teknologi dan produk prinsip laser yang dapat disetel dalam berbagai panjang gelombang dari inframerah dekat hingga inframerah tengah.

①Osilator parametrik optik, amplifier dan generator (OPO dan OPA)

Dalam sistem konversi frekuensi nonlinier, laser inframerah dekat, osilator parametrik optik pompa (OPO), penguat (OPA) atau generator (OPG) dapat digunakan untuk menghasilkan cahaya idle di wilayah spektral inframerah tengah, seperti:
Dalam laser inframerah tengah OPO nanodetik, laser Q-switched dapat digunakan sebagai sumber pompa. Bahan kristal yang umum digunakan untuk aplikasi tersebut adalah seng germanium fosfida (ZGP, ZnGeP2), perak galium sulfida dan selenida (AgGaS2, AgGaSe2), galium selenida (GaSe) dan kadmium selenida (CdSe).
Karena banyak dari bahan-bahan ini buram di wilayah 1 μm, sering kali OPO perlu digunakan secara seri: OPO pertama mengubah radiasi laser 1 μm menjadi panjang gelombang yang lebih panjang, yang kemudian digunakan untuk memompa OPO inframerah-tengah yang sebenarnya. Sinyal dan frekuensi idle yang terakhir dapat berada di wilayah spektrum inframerah menengah.
Laser picosecond Nd:YVO4 yang dikunci mode 1064 nm juga dapat digunakan untuk memompa kristal OPO dan LiNbO3 secara serempak, sehingga keluaran cahaya idler mencapai 4 μm atau bahkan 4,5 μm. Keterbatasan panjang gelombangnya terutama lebih unggul daripada peningkatan serapan cahaya idle pada panjang gelombang yang panjang. Oleh karena itu, OPO berdasarkan prinsip ini biasanya memiliki sinyal resonansi. Perangkat semacam itu dapat dengan mudah menghasilkan pulsa dengan energi puluhan milijoule. Panjang gelombang keluaran dapat disetel hingga ratusan nanometer.

②CWOPO

Dibandingkan dengan eksitasi pulsa OPO umum, produk teknologi CWOPO terkini menyediakan laser inframerah menengah berdasarkan kerangka kerja berikut:

1) laser dan amplifier serat DFB;

2) Kontrol laser serat DFB;

3) bagian dan kontrol optik OPO;
Produk jenis ini dapat memberikan panjang gelombang keluaran yang dapat disesuaikan secara terus menerus dalam rentang inframerah tengah 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Pada saat yang sama, dibandingkan dengan OPO pulsa, produk jenis ini dapat memberikan lebar garis yang sangat baik. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Laser kaskade kuantum

Laser kaskade kuantum adalah arah pengembangan yang relatif baru di bidang laser semikonduktor.

Perbedaan antara laser kaskade kuantum dan laser semikonduktor inframerah-tengah awal berdasarkan transisi antar-band adalah bahwa ia bekerja berdasarkan transisi antar-sub-band.

Hal ini memungkinkan laser kaskade kuantum merekayasa detail struktur lapisan semikonduktor sehingga energi foton transisi (dan panjang gelombang) dapat divariasikan dalam rentang yang luas. Selain itu, beberapa rentang penyetelan panjang gelombang yang penting (terkadang melebihi 10% dari panjang gelombang pusat) juga dapat dijangkau melalui perangkat rongga eksternal.

Meskipun pendinginan kriogenik saat ini diperlukan untuk mencapai kinerja optimal, banyak laser kaskade kuantum masih dapat dioperasikan pada suhu kamar, bahkan terus menerus. Laser kaskade kuantum juga dapat digunakan untuk menghasilkan laser berdenyut dengan waktu pulsa bahkan jauh di bawah 1 ns, meskipun daya puncaknya agak terbatas.

Dari segi daya, meskipun daya keluarannya dapat mencapai 1 W melalui optimasi, namun daya keluaran laser jenis ini masih lebih rendah dibandingkan laser infra merah pada umumnya. Sebab, dalam bidang laser kaskade kuantum, yang terutama digunakan dalam spektroskopi, laser kaskade kuantum terbatas pada transisi dengan energi fonon yang lebih rendah.

Berikut beberapa parameter dan tipe umum:
Tabung laser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tabung laser DFB berdenyut 700 cm-1-2350 cm-1
Tabung laser DFB berpendingin 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (osilator parametrik optik) dan kaskade kuantum adalah dua teknologi yang umum digunakan dalam generasi laser inframerah-tengah, dan keduanya memiliki beberapa perbedaan penerapan yang signifikan.

OPO (Osilator Parametrik Optik, osilator parametrik optik):

OPO adalah perangkat optik nonlinier yang menggunakan proses parametrik dalam kristal optik nonlinier atau serat optik untuk menghasilkan panjang gelombang baru, termasuk pita inframerah tengah. OPO membangkitkan osilasi parametrik melalui sumber cahaya pompa, di mana bahan nonlinier dalam osilator membagi lampu pompa menjadi lampu sinyal dan lampu tambahan. Panjang gelombang cahaya sinyal dapat disetel ke kisaran inframerah tengah, sedangkan cahaya tambahan bertindak sebagai umpan balik ke sumber cahaya pompa. OPO memiliki efisiensi konversi yang tinggi dan rentang penyetelan frekuensi yang luas, sehingga banyak digunakan dalam penelitian dan aplikasi laser inframerah-tengah.

Perbedaan aplikasi: OPO cocok untuk aplikasi yang memerlukan kemampuan penyesuaian frekuensi. Dengan menyesuaikan frekuensi lampu pompa atau kondisi pencocokan fase kristal nonlinier, keluaran laser yang dapat disetel secara terus menerus dapat dicapai dalam rentang inframerah tengah. OPO dapat digunakan dalam analisis spektral, deteksi gas, pencitraan biomedis, dan bidang lainnya, dan sangat cocok untuk aplikasi yang memerlukan analisis sensitivitas tinggi atau pencitraan mikroskopis pada pita inframerah tengah.

Kaskade Kuantum:

Laser kaskade kuantum adalah laser yang didasarkan pada struktur superkisi semikonduktor yang menghasilkan sinar laser inframerah-tengah melalui proses kaskade kuantum. Dalam laser kaskade kuantum, elektron melepaskan energi melalui proses transisi langkah demi langkah antara beberapa pita energi, sehingga menghasilkan radiasi inframerah tengah yang dapat disetel secara terus menerus.

Perbedaan aplikasi: Laser kaskade kuantum memiliki daya lebih tinggi dan lebar garis spektral lebih sempit, dan cocok untuk pengukuran spektral resolusi tinggi, lidar, pencitraan inframerah, dan bidang lainnya. Laser kaskade kuantum juga dapat bekerja di lingkungan bersuhu tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi yang memerlukan laser inframerah-tengah dalam kondisi sulit, seperti inspeksi industri, pemantauan lingkungan, dll.

Singkatnya, OPO terutama digunakan untuk aplikasi dengan kemampuan penyesuaian frekuensi tinggi, sedangkan laser kaskade kuantum lebih cocok untuk daya tinggi, lebar garis sempit, dan suhu tinggi.

Perbandingan spesifik perbedaan nilai parameter bervariasi menurut model produk dan produsen. Berikut ini adalah contoh beberapa perbandingan parameter umum:

——Kemampuan frekuensi:

OPO: Output laser inframerah-tengah yang dapat disetel secara terus-menerus dapat dicapai, dengan rentang frekuensi biasanya dari ratusan megahertz hingga beberapa gigahertz atau lebih luas.

Kaskade kuantum: Rentang penyetelan frekuensi relatif sempit, biasanya puluhan hingga ratusan megahertz atau lebih sempit.

——Daya dan efisiensi keluaran:

OPO: Daya keluaran biasanya berkisar antara beberapa ratus miliwatt hingga beberapa watt, dan efisiensi konversi dapat mencapai lebih dari 10%.

Kaskade kuantum: Daya keluaran biasanya berkisar antara puluhan hingga ratusan miliwatt, dan efisiensi konversi dapat mencapai lebih dari 20%.

——Lebar garis spektral:

OPO: Lebar garis spektralnya sempit, biasanya berkisar antara beberapa gigahertz hingga puluhan megahertz.

Kaskade kuantum: Lebar garis spektral relatif luas, biasanya berkisar antara puluhan gigahertz hingga ratusan megahertz.

--Suhu Operasional:

OPO: Biasanya perlu bekerja pada suhu ruangan yang lebih stabil atau mendekati suhu ruangan.

Quantum cascade: Dapat bekerja pada suhu pengoperasian yang lebih tinggi, biasanya di atas suhu ruangan, bahkan hingga puluhan derajat Celcius.

Perlu dicatat bahwa nilai-nilai ini hanya untuk referensi umum dan tidak mewakili parameter spesifik dari semua produk komersial. Parameter sebenarnya bergantung pada model produk, kemajuan teknologi, serta persyaratan desain dan kinerja pabrikan. Saat memilih produk komersial tertentu, sebaiknya mengacu pada lembar spesifikasi produk dan dokumentasi teknis yang disediakan oleh produsen untuk mendapatkan informasi parameter yang akurat.

④Sumber cahaya superkontinuum

Ada beberapa sumber cahaya berdasarkan generasi supercontinuum yang menjangkau sebagian besar pita inframerah tengah. Sumber cahaya seperti itu dapat beroperasi berdasarkan serat optik inframerah-tengah tertentu, yang melaluinya gelombang cahaya yang kuat dikirimkan untuk menciptakan interaksi nonlinier yang kuat.

Jika diperlukan cahaya dengan lebar garis sempit yang dapat disetel, filter yang dapat disetel dapat digunakan untuk mengekstraksi komponen spektral yang diinginkan dari cahaya spektrum luas. Dalam beberapa kasus, seluruh spektrum digunakan. Salah satu contohnya adalah tomografi koherensi optik (OCT). Proses ini sering dilakukan pada pita panjang gelombang yang lebih pendek. Namun kelebihan cahaya inframerah-tengah pada aplikasi ini adalah cahaya inframerah-tengah lebih sedikit tersebar. Dibandingkan dengan pita dengan panjang gelombang yang lebih pendek, ia memiliki kemampuan untuk menembus lebih dalam.

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 ), ia memiliki bandwidth yang lebih lebar, koherensi spasial, arah, dan kecerahan yang lebih tinggi dibandingkan laser tradisional.

⑤Sumber cahaya inframerah-tengah mikro

Saat ini terdapat banyak upaya untuk mengembangkan sirkuit terpadu fotonik untuk aplikasi inframerah-tengah, seperti yang berbasis pada platform fotonik silikon. Sayangnya, tidak mudah untuk mengimplementasikan sumber cahaya inframerah-tengah pada sebuah chip, sehingga mengarah pada penelitian tentang banyak metode yang mungkin. Salah satu contohnya adalah mengintegrasikan sumber cahaya ke semikonduktor lain, dan meskipun hal ini menimbulkan kesulitan teknis, ada juga contoh yang melibatkan teknologi pengikatan flip-chip. Kemungkinan lain adalah dengan mengintegrasikan pemancar benda hitam (→ radiasi termal) atau bahan bercahaya, meskipun hal ini tidak menghasilkan radiasi yang koheren secara spasial.

Ada metode lain berdasarkan konversi frekuensi nonlinier, memanfaatkan nonlinier Kerr untuk pencampuran empat gelombang atau hamburan Raman terstimulasi. Dan dengan menggunakan mikroresonator, sisir frekuensi juga dapat dihasilkan.

di samping itu

Berikut ini adalah beberapa sumber cahaya inframerah-tengah yang jarang digunakan. Karena tidak digunakan secara luas, maka tidak akan dibahas terlalu detail di sini, seperti laser elektron bebas dan laser CO₂ frekuensi dua kali lipat.

Berdasarkan hal di atas, berikut ini referensi perbandingan dan pemilihan berbagai jenis laser: