Plan de sélection des lasers accordables proche infrarouge à moyen infrarouge

Cet article vise à discuter de certaines considérations et suggestions de programmes lors de la sélection de sources lumineuses du proche infrarouge au moyen infrarouge. Cet article présente et compare principalement brièvement les quatre grandes catégories d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO), d'amplificateurs paramétriques optiques (OPA), de lasers à cascade quantique et de sources de lumière supercontinuum.

1. Différentes définitions de plages spectrales

De manière générale, lorsque les gens parlent de sources de lumière infrarouge, ils font référence à une lumière dont les longueurs d'onde dans le vide sont supérieures à ~ 700 à 800 nm (la limite supérieure de la plage de longueurs d'onde visibles).

La limite inférieure spécifique de la longueur d'onde n'est pas clairement définie dans cette description car la perception de l'infrarouge par l'œil humain diminue lentement plutôt que de s'arrêter au niveau d'une falaise.

Par exemple, la réponse de la lumière à 700 nm pour l'œil humain est déjà très faible, mais si la lumière est suffisamment forte, l'œil humain peut même voir la lumière émise par certaines diodes laser avec des longueurs d'onde supérieures à 750 nm, ce qui rend également l'infrarouge. les lasers représentent un risque pour la sécurité. --Même s'il n'est pas très brillant à l'œil humain, sa puissance réelle peut être très élevée.

De même, tout comme la plage limite inférieure de la source de lumière infrarouge (700 ~ 800 nm), la plage de définition de la limite supérieure de la source de lumière infrarouge est également incertaine. D'une manière générale, elle est d'environ 1 mm.

Voici quelques définitions courantes de la bande infrarouge :

——Région spectrale proche infrarouge (également appelée IR-A), plage ~750-1400 nm.
Les lasers émis dans cette région de longueur d'onde sont sujets à des problèmes de bruit et de sécurité de l'œil humain, car la fonction de focalisation de l'œil humain est compatible avec les plages de lumière proche infrarouge et visible, de sorte que la source de lumière de la bande proche infrarouge peut être transmise et focalisée vers le rétine sensible de la même manière, mais la bande lumineuse proche infrarouge ne déclenche pas le réflexe de clignement protecteur. En conséquence, la rétine de l’œil humain est endommagée par un excès d’énergie dû à l’insensibilité. Par conséquent, lors de l’utilisation de sources lumineuses dans cette bande, une attention particulière doit être portée à la protection des yeux.

——Gamme infrarouge à courte longueur d'onde (SWIR, IR-B) à partir de 1,4-3 μm.
Cette zone est relativement sûre pour les yeux car cette lumière est absorbée par l’œil avant d’atteindre la rétine. Par exemple, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium utilisés dans les communications par fibre optique fonctionnent dans cette région.
——La plage infrarouge à ondes moyennes (MWIR) est de 3-8 μm.
L'atmosphère présente une forte absorption dans certaines parties de la région ; de nombreux gaz atmosphériques auront des raies d'absorption dans cette bande, comme le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d'eau (H2O). De plus, parce que de nombreux gaz présentent une forte absorption dans cette bande, les fortes caractéristiques d'absorption rendent cette région spectrale largement utilisée pour la détection de gaz dans l'atmosphère.

——La plage infrarouge à ondes longues (LWIR) est de 8-15 μm.
——Vient ensuite l'infrarouge lointain (FIR), qui va de 15 μm-1 mm (mais il existe également des définitions à partir de 50 μm, voir ISO 20473). Cette région spectrale est principalement utilisée pour l'imagerie thermique.
Cet article vise à discuter de la sélection de lasers à longueur d'onde accordable à large bande avec des sources de lumière du proche infrarouge à l'infrarouge moyen, qui peuvent inclure l'infrarouge à courte longueur d'onde ci-dessus (SWIR, IR-B, allant de 1,4-3 μm) et une partie de l'infrarouge à ondes moyennes (MWIR, la plage est de 3-8 μm).

2.Application typique

Une application typique des sources lumineuses dans cette bande est l'identification des spectres d'absorption laser dans des gaz traces (par exemple, télédétection dans le diagnostic médical et la surveillance environnementale). Ici, l’analyse tire parti des bandes d’absorption fortes et caractéristiques de nombreuses molécules dans la région spectrale de l’infrarouge moyen, qui servent d’« empreintes moléculaires ». Bien que l'on puisse également étudier certaines de ces molécules à travers des raies d'absorption panoramique dans la région proche infrarouge, étant donné que les sources laser proche infrarouge sont plus faciles à préparer, il y a des avantages à utiliser de fortes raies d'absorption fondamentales dans la région infrarouge moyen avec une sensibilité plus élevée. .

En imagerie infrarouge moyen, des sources lumineuses dans cette bande sont également utilisées. Les gens profitent généralement du fait que la lumière infrarouge moyenne peut pénétrer plus profondément dans les matériaux et est moins diffusée. Par exemple, dans les applications d'imagerie hyperspectrale correspondantes, le proche infrarouge à l'infrarouge moyen peut fournir des informations spectrales pour chaque pixel (ou voxel).

En raison du développement continu des sources laser infrarouge moyen, telles que les lasers à fibre, les applications de traitement de matériaux laser non métalliques deviennent de plus en plus pratiques. En règle générale, les gens profitent de la forte absorption de la lumière infrarouge par certains matériaux, tels que les films polymères, pour éliminer sélectivement les matériaux.

Un cas typique est que les films conducteurs transparents d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) utilisés pour les électrodes dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques doivent être structurés par ablation sélective au laser. Un autre exemple est le décapage précis des revêtements des fibres optiques. Les niveaux de puissance requis dans cette bande pour de telles applications sont généralement bien inférieurs à ceux requis pour des applications telles que la découpe laser.

Les sources lumineuses du proche infrarouge au moyen infrarouge sont également utilisées par l’armée pour les contre-mesures infrarouges directionnelles contre les missiles à recherche de chaleur. En plus d'une puissance de sortie plus élevée adaptée aux caméras infrarouges aveuglantes, une large couverture spectrale dans la bande de transmission atmosphérique (environ 3-4 μm et 8-13 μm) est également nécessaire pour empêcher de simples filtres à encoches de protéger les détecteurs infrarouges.

La fenêtre de transmission atmosphérique décrite ci-dessus peut également être utilisée pour les communications optiques en espace libre via des faisceaux directionnels, et les lasers à cascade quantique sont utilisés dans de nombreuses applications à cette fin.

Dans certains cas, des impulsions ultracourtes dans l’infrarouge moyen sont nécessaires. Par exemple, on pourrait utiliser des peignes à fréquence infrarouge moyenne en spectroscopie laser, ou exploiter les intensités de crête élevées des impulsions ultracourtes pour l'éclairage laser. Ceci peut être généré avec un laser à mode verrouillé.

En particulier, pour les sources de lumière du proche infrarouge à l'infrarouge moyen, certaines applications ont des exigences particulières en matière de longueurs d'onde de balayage ou d'accordabilité des longueurs d'onde, et les lasers accordables en longueur d'onde du proche infrarouge à l'infrarouge moyen jouent également un rôle extrêmement important dans ces applications.

Par exemple, en spectroscopie, les lasers accordables dans l’infrarouge moyen sont des outils essentiels, que ce soit pour la détection de gaz, la surveillance environnementale ou l’analyse chimique. Les scientifiques ajustent la longueur d’onde du laser pour le positionner avec précision dans la plage infrarouge moyenne afin de détecter des raies d’absorption moléculaire spécifiques. De cette façon, ils peuvent obtenir des informations détaillées sur la composition et les propriétés de la matière, comme déchiffrer un livre de codes rempli de secrets.

Dans le domaine de l’imagerie médicale, les lasers accordables dans l’infrarouge moyen jouent également un rôle important. Ils sont largement utilisés dans les technologies de diagnostic et d’imagerie non invasives. En réglant avec précision la longueur d’onde du laser, la lumière infrarouge moyenne peut pénétrer dans les tissus biologiques, produisant ainsi des images haute résolution. Ceci est important pour détecter et diagnostiquer les maladies et les anomalies, comme une lumière magique scrutant les secrets intérieurs du corps humain.

Le domaine de la défense et de la sécurité est également indissociable de l’application des lasers accordables dans l’infrarouge moyen. Ces lasers jouent un rôle clé dans les contre-mesures infrarouges, notamment contre les missiles à recherche de chaleur. Par exemple, le système de contre-mesures directionnelles à infrarouge (DIRCM) peut empêcher les avions d’être suivis et attaqués par des missiles. En ajustant rapidement la longueur d'onde du laser, ces systèmes peuvent interférer avec le système de guidage des missiles entrants et inverser instantanément le cours de la bataille, comme une épée magique gardant le ciel.

La technologie de télédétection est un moyen important d’observation et de surveillance de la Terre, dans lequel les lasers infrarouges accordables jouent un rôle clé. Des domaines tels que la surveillance de l'environnement, la recherche atmosphérique et l'observation de la Terre dépendent tous de l'utilisation de ces lasers. Les lasers accordables dans l'infrarouge moyen permettent aux scientifiques de mesurer des raies d'absorption spécifiques de gaz dans l'atmosphère, fournissant ainsi des données précieuses pour faciliter la recherche climatique, la surveillance de la pollution et les prévisions météorologiques, comme un miroir magique capable de voir les mystères de la nature.

Dans les environnements industriels, les lasers accordables à infrarouge moyen sont largement utilisés pour le traitement de précision des matériaux. En réglant les lasers sur des longueurs d'onde fortement absorbées par certains matériaux, ils permettent une ablation, une découpe ou un soudage sélectifs. Cela permet une fabrication de précision dans des domaines tels que l’électronique, les semi-conducteurs et le micro-usinage. Le laser accordable dans l'infrarouge moyen est comme un couteau à découper finement poli, permettant à l'industrie de sculpter des produits finement sculptés et de montrer l'éclat de la technologie.

3. Types de produits laser réglables dans le proche infrarouge à l'infrarouge moyen et caractéristiques de sélection

De nombreuses technologies peuvent produire des lasers du proche infrarouge au moyen infrarouge, tels que divers types de lasers au sel de plomb basés sur des composés de plomb ternaires précoces ou des composés quaternaires, ainsi que des lasers en vrac à isolant dopé courants, divers lasers à fibre et des lasers à gaz de dioxyde de carbone. Attendez, nous nous concentrons ici sur plusieurs technologies et produits laser principaux qui peuvent être réglés dans une large gamme de longueurs d'onde allant du proche infrarouge à l'infrarouge moyen.

①Oscillateurs, amplificateurs et générateurs paramétriques optiques (OPO et OPA)

Dans un système de conversion de fréquence non linéaire, un laser proche infrarouge, un oscillateur paramétrique optique à pompe (OPO), un amplificateur (OPA) ou un générateur (OPG) peuvent être utilisés pour générer une lumière inutilisée dans la région spectrale infrarouge moyen, telle que :
Dans les lasers infrarouge moyen OPO nanosecondes, les lasers à commutation Q peuvent être utilisés comme sources de pompe. Les matériaux cristallins couramment utilisés pour de telles applications sont le phosphure de zinc et de germanium (ZGP, ZnGeP2), le sulfure et le séléniure de gallium et d'argent (AgGaS2, AgGaSe2), le séléniure de gallium (GaSe) et le séléniure de cadmium (CdSe).
Étant donné que beaucoup de ces matériaux sont opaques dans la région de 1 µm, il est souvent nécessaire d’utiliser des OPO en série : le premier OPO convertit le rayonnement laser de 1 μm en une longueur d’onde plus longue, qui est ensuite utilisée pour pomper l’OPO infrarouge moyen réel. Le signal et la fréquence de repos de ce dernier peuvent tous deux se situer dans la région du spectre infrarouge moyen.
Le laser picoseconde Nd:YVO4 à mode verrouillé de 1 064 nm peut également être utilisé pour pomper de manière synchrone des cristaux d'OPO et de LiNbO3, permettant à la lumière inutilisée d'atteindre 4 μm ou même 4,5 μm. Sa limitation de longueur d’onde est principalement supérieure à l’augmentation de l’absorption de la lumière inactive aux longues longueurs d’onde. Par conséquent, les OPO basés sur ce principe ont généralement un signal de résonance. Un tel dispositif pourrait facilement générer des impulsions avec une énergie de l’ordre de plusieurs dizaines de millijoules. La longueur d'onde de sortie est réglable sur des centaines de nanomètres.

②CWOPO

Par rapport à l'excitation par impulsions de l'OPO générale, les produits récents de la technologie CWOPO fournissent des lasers infrarouge moyen basés sur le cadre suivant :

1) Lasers et amplificateurs à fibre DFB ;

2) contrôle laser à fibre DFB ;

3) Partie optique et contrôle OPO ;
Ce type de produit peut fournir une longueur d'onde de sortie réglable en continu dans la plage infrarouge moyenne de 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Dans le même temps, par rapport à l’OPO pulsé, ce type de produit peut offrir une excellente largeur de ligne. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③Laser à cascade quantique

Les lasers à cascade quantique constituent une direction de développement relativement nouvelle dans le domaine des lasers à semi-conducteurs.

La différence entre les lasers à cascade quantique et les premiers lasers à semi-conducteurs à infrarouge moyen basés sur des transitions inter-bandes est qu'ils fonctionnent sur la base de transitions inter-sous-bandes.

Cela permet aux lasers à cascade quantique de concevoir les détails de la structure de la couche semi-conductrice afin que l'énergie des photons de transition (et donc la longueur d'onde) puisse varier sur une large plage. De plus, certaines plages d'accord de longueur d'onde importantes (dépassant parfois 10 % de la longueur d'onde centrale) peuvent également être couvertes par des dispositifs à cavité externe.

Bien qu’un refroidissement cryogénique soit actuellement nécessaire pour obtenir des performances optimales, de nombreux lasers à cascade quantique peuvent encore fonctionner à température ambiante, même en continu. Les lasers à cascade quantique peuvent également être utilisés pour générer des lasers pulsés avec des temps d'impulsion même bien inférieurs à 1 ns, bien que la puissance de crête soit plutôt limitée.

En termes de puissance, bien que sa puissance de sortie puisse atteindre 1 W grâce à l'optimisation, la puissance de sortie de ce type de laser reste inférieure à celle des lasers infrarouges courants. Car, dans le domaine des lasers à cascade quantique, principalement utilisés en spectroscopie, les lasers à cascade quantique sont limités aux transitions avec une énergie de phonons plus faible.

Voici quelques paramètres et types courants :
Tube laser CW-DFB 800 cm-1-2320 cm-1
Tube laser DFB pulsé 700 cm-1-2350 cm-1
Tube laser DFB réfrigéré 645 cm-1-2370 cm-1

L'OPO (oscillateur paramétrique optique) et la cascade quantique sont deux technologies couramment utilisées dans la génération de lasers infrarouges moyens, et elles présentent des différences d'application significatives.

OPO (Optical Parametric Oscillator, oscillateur paramétrique optique) :

OPO est un dispositif optique non linéaire qui utilise des processus paramétriques dans des cristaux optiques non linéaires ou des fibres optiques pour générer de nouvelles longueurs d'onde, y compris la bande infrarouge moyenne. OPO excite des oscillations paramétriques via une source de lumière de pompe, où des matériaux non linéaires dans l'oscillateur divisent la lumière de pompe en lumière de signal et lumière auxiliaire. La longueur d'onde du signal lumineux est réglable dans la plage infrarouge moyenne, tandis que la lumière auxiliaire agit comme un retour d'information vers la source lumineuse de la pompe. OPO a une efficacité de conversion élevée et une large plage de réglage de fréquence, il est donc largement utilisé dans la recherche et les applications laser infrarouge moyen.

Différence d'application : OPO convient aux applications nécessitant une accordabilité de fréquence. En ajustant la fréquence de la lumière de pompage ou les conditions d'adaptation de phase du cristal non linéaire, une sortie laser accordable en continu peut être obtenue dans la plage infrarouge moyenne. L'OPO peut être utilisé dans l'analyse spectrale, la détection de gaz, l'imagerie biomédicale et dans d'autres domaines, et est particulièrement adapté aux applications nécessitant une analyse à haute sensibilité ou une imagerie microscopique dans la bande infrarouge moyenne.

Cascade quantique :

Le laser à cascade quantique est un laser basé sur une structure de super-réseau semi-conducteur qui génère une lumière laser infrarouge moyen via un processus de cascade quantique. Dans un laser à cascade quantique, les électrons libèrent de l'énergie grâce à un processus de transition étape par étape entre plusieurs bandes d'énergie, produisant un rayonnement infrarouge moyen réglable en continu.

Différences d'application : les lasers à cascade quantique ont une puissance plus élevée et une largeur de raie spectrale plus étroite, et conviennent à la mesure spectrale à haute résolution, au lidar, à l'imagerie infrarouge et à d'autres domaines. Les lasers à cascade quantique peuvent également fonctionner dans des environnements à haute température, ils conviennent donc aux applications nécessitant des lasers infrarouge moyen dans des conditions difficiles, telles que l'inspection industrielle, la surveillance environnementale, etc.

Pour résumer, l’OPO est principalement utilisé pour les applications avec accordabilité à haute fréquence, tandis que les lasers à cascade quantique sont plus adaptés aux puissances élevées, aux largeurs de raies étroites et aux températures élevées.

La comparaison spécifique des différences de valeurs de paramètres varie selon le modèle de produit et le fabricant. Voici des exemples de comparaisons de paramètres courants :

—— Accordabilité de fréquence :

OPO : une sortie laser infrarouge moyen réglable en continu peut être obtenue, avec une plage de fréquences allant généralement de centaines de mégahertz à plusieurs gigahertz ou plus.

Cascade quantique : la plage de réglage des fréquences est relativement étroite, généralement de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mégahertz ou moins.

——Puissance de sortie et efficacité :

OPO : La puissance de sortie est généralement comprise entre plusieurs centaines de milliwatts et plusieurs watts, et l'efficacité de conversion peut atteindre plus de 10 %.

Cascade quantique : la puissance de sortie est généralement comprise entre des dizaines et des centaines de milliwatts et l'efficacité de conversion peut atteindre plus de 20 %.

——Largeur de raie spectrale :

OPO : La largeur de raie spectrale est étroite, généralement comprise entre plusieurs gigahertz et des dizaines de mégahertz.

Cascade quantique : la largeur de raie spectrale est relativement large, généralement comprise entre des dizaines de gigahertz et des centaines de mégahertz.

——Température de fonctionnement :

OPO : Il doit généralement fonctionner à une température ambiante plus stable ou proche de la température ambiante.

Cascade quantique : peut fonctionner à des températures de fonctionnement plus élevées, généralement supérieures à la température ambiante, voire jusqu'à plusieurs dizaines de degrés Celsius.

Il convient de noter que ces valeurs sont uniquement à titre de référence générale et ne représentent pas les paramètres spécifiques de tous les produits commerciaux. Les paramètres réels dépendent du modèle de produit, des avancées technologiques et des exigences de conception et de performances du fabricant. Lors de la sélection d'un produit commercial spécifique, il est préférable de se référer à la fiche technique du produit et à la documentation technique fournie par le fabricant pour obtenir des informations précises sur les paramètres.

④Source lumineuse supercontinuum

Certaines sources lumineuses basées sur la génération de supercontinuum couvrent une grande partie de la bande infrarouge moyen. Une telle source de lumière pourrait fonctionner sur la base de certaines fibres optiques infrarouge moyen, à travers lesquelles des impulsions lumineuses intenses sont envoyées pour créer de fortes interactions non linéaires.

Si une lumière accordable à largeur de raie étroite est requise, des filtres accordables peuvent être utilisés pour extraire les composantes spectrales souhaitées de la lumière à large spectre. Dans certains cas, la totalité du spectre est utilisée. Un exemple est la tomographie par cohérence optique (OCT). Ce processus est souvent effectué dans des bandes de longueurs d'onde plus courtes. Cependant, l’avantage de la lumière infrarouge moyenne dans cette application est que la lumière infrarouge moyenne est moins diffusée. Comparé aux bandes de longueurs d'onde plus courtes, il a la capacité de pénétrer plus profondément.

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), il a une bande passante plus large, une cohérence spatiale, une directivité et une luminosité plus élevées que les lasers traditionnels.

⑤Micro source de lumière infrarouge moyen

Il existe actuellement de nombreuses tentatives pour développer des circuits intégrés photoniques pour des applications dans l'infrarouge moyen, telles que celles basées sur des plates-formes photoniques sur silicium. Malheureusement, il n’est pas facile de mettre en œuvre une source de lumière infrarouge moyen sur une puce, ce qui a conduit à des recherches sur de nombreuses méthodes possibles. Un exemple est l’intégration de sources lumineuses sur d’autres semi-conducteurs, et bien que cela présente des difficultés techniques, il existe également des exemples impliquant la technologie de liaison flip-chip. Une autre possibilité consiste à intégrer des émetteurs à corps noir (→ rayonnement thermique) ou des matériaux luminescents, même si cela ne conduit pas à un rayonnement spatialement cohérent.

Il existe d'autres méthodes basées sur la conversion de fréquence non linéaire, utilisant la non-linéarité de Kerr pour le mélange à quatre ondes ou la diffusion Raman stimulée. Et à l’aide de microrésonateurs, des peignes de fréquences peuvent également être générés.

en plus

Voici quelques sources de lumière infrarouge moyen moins fréquemment utilisées. Parce qu’ils ne sont pas largement utilisés, ils ne seront pas abordés ici de manière trop détaillée, comme les lasers à électrons libres et les lasers CO₂ à fréquence doublée.

Sur la base de ce qui précède, ce qui suit constitue une référence pour la comparaison et la sélection de différents types de laser :