中红外激光源 Mid-infrared laser sources

2022-11-09 09:36:06 浏览:127

定义

光源以激光束的形式发射中红外辐射。

本文讨论了那些发射类似激光束的中红外光源。 它们可能包含中红外(Mid-IR)激光器或一些较短波长的激光器,并结合非线性频率转换装置。 根据 ISO 20473:2007,中红外光谱范围是 3 μm 至 50 μm 的波长范围。

典型应用

中红外光源的典型应用是痕量气体的激光吸收光谱(例如环境监测中的医疗诊断和遥感)。 在这里,人们利用中红外光谱区域中许多分子的强而特征的吸收带(用作“分子指纹”)。 虽然人们也可以通过近红外的泛音吸收线来解决其中一些分子,其中激光源更容易制造,但使用中红外的强基波吸收线以获得最大灵敏度是有利的。

在红外成像中也有应用,其中通常利用中红外光可以更深入地穿透材料并且通常表现出更少的散射的优势。 成像也可以以高光谱成像的形式实现,为每个像素(或体素)提供光谱信息。

由于更强大的中红外激光源的不断发展,非金属激光材料加工中的应用也变得越来越实用,例如光纤激光器(见下文)。 通常,人们利用某些材料(例如聚合物薄膜)的强红外吸收来选择性地去除材料。 例如,用于电子和光电器件中电极的由氧化铟锡(ITO)制成的透明导电薄膜需要通过选择性激光烧蚀来构建。 另一个例子是从光纤上剥离涂层的非常受控。 所需的功率水平通常远低于激光切割等功率水平。

军方还使用高功率中红外光源对热寻的导弹进行定向红外对抗。 除了适用于致盲红外相机的高输出功率外,还需要大气透射带(约3-4μm和8-13μm)内的宽光谱覆盖范围,从而防止使用简单的陷波滤光片保护红外探测器。

上述大气透射窗口也可用于具有定向光束的自由空间光通信,例如来自量子级联激光器。

在某些情况下,需要中红外超短脉冲,就像锁模激光器一样。 例如,可以在激光光谱中使用中红外频率梳,或者利用超短脉冲的高峰值强度进行激光微加工。

请注意,存在非常不同类型的中红外激光器,它们适用于非常不同类型的应用。 例如,有些可以产生高输出功率,这使得它们适用于激光材料加工,而另一些则具有低输出功率但波长可调窄线宽输出,适用于光谱学中的应用。

中红外激光器的类型

量子级联激光器

量子级联激光器代表了半导体激光器领域相对较新的发展。 早期的中红外半导体激光器基于带间跃迁,而量子级联激光器则利用子带间跃迁。 通过设计半导体层结构的细节,可以在很宽的范围内改变跃迁的光子能量(以及波长)。 即使对于固定设计,外部腔体器件也可以覆盖一些重要的波长调谐范围(有时超过中心波长的10%)。

许多量子级联激光器可以在室温下工作,甚至可以连续运行,尽管低温冷却实现了最佳性能值。 可以产生持续时间远低于1 ns的短脉冲,尽管峰值功率相当有限。

量子级联激光器的主要应用领域是光谱学,例如以痕量气体检测为目的的激光吸收光谱学。 由于光谱覆盖范围非常广,线宽相对较窄,因此可以制造用于检测各种分子的灵敏仪器。 这在环境监测和医疗诊断(例如呼吸分析)等领域是相关的。

也可以使用量子级联激光器进行具有定向光束的自由空间光通信。

有关更多详细信息,请参阅有关量子级联激光器的文章。

铅盐激光器

在量子级联激光器开发之前,大部分中红外光谱都是用各种类型的铅盐激光器访问的。 这些通常基于三元铅化合物,例如Pbx锡1−xTe或与四元化合物如Pbx欧盟1−x硒y特1−y. 决定发射波长的带隙能量相当小 - 低于0.5 eV - 这是长波长发射所需的。

不幸的是,小带隙能量也会导致在室温下对载流子的大量形式激发。 因此,铅盐激光器通常需要在低温下工作(通常远低于200 K,特别是对于较长的波长)。 它们仅产生低功率水平(通常约为 1 mW),并且与较短波长的半导体激光管相比,它们的墙插效率非常低。 通常可以通过器件温度进行几纳米的波长调谐。

如今,铅盐激光器已在很大程度上被其他类型的激光器所取代,例如量子级联激光器。

掺杂绝缘体体激光器

只有少数类型的掺杂绝缘体固态激光器在中红外光谱区域发射。 一些例子是:

  • Cr2+:ZnSe(掺铬硒化锌)激光器(以及一些具有类似材料的激光器)可以发射大约3.5μm。 它们大致可调。
  • Fe2+:硒化锌激光器的发射波长为3.7-5.1μm 。

激光晶体和玻璃的选择仅限于声子能量相当低的晶体和玻璃,否则激光跃迁将被多声子跃迁淬灭。 输出功率暂时低于普通近红外激光器的输出功率,但通过仔细优化,输出功率可能超过1 W。

根据光谱区域的不同,这种激光器通常不能与激光谐振器中的普通空气一起工作。 例如,人们可能不得不使用干氮或其他一些人,以避免相关的吸收线,这些吸收线在中红外中可能相当强。

光纤激光器

基于掺铒氟化物光纤(或其他掺杂中红外光纤)的光纤激光器可以发射波长,例如大约 2.8-2.9 μm。 同样,已经开发了掺钬光纤激光器,除了更常见的2-2.2μm区域外,还发射约3μm [4,9]和3.9μm[3,25]。 此外,可以使用掺镝的氟化物光纤进行3.24μm[30]或更长波长[34]的激光发射。 在某些情况下,有必要使用额外的稀土掺杂剂,这些掺杂剂用于通过能量转移来减少较低的激光水平,因为否则使用的激光跃迁将是自我终止的。

普通的二氧化硅纤维不能用于中红外。 首先,它们在如此长的波长下表现出很强的吸收。 其次,高声子能量将允许强烈的多声子跃迁绕过激光跃迁。 这两个问题都可以通过使用合适的其他玻璃来解决 - 通常是氟化物玻璃或硫族化物玻璃。 有关更多详细信息,请参阅有关中红外光纤的文章。

与体激光器(见上文)相比,光纤激光器可以更容易地在“困难”的激光跃迁上操作,例如需要大量亚稳态。 它们也不太容易受到热效应的影响,例如热透镜。 因此,可以提高平均输出功率——使用双包层光纤时,通常为数瓦甚至远高于 10 W。 对于工业用途,此类设备应采用全光纤技术[19]实现,即谐振器中没有自由空间部分,这些部分引入了灵敏的对准和灰尘颗粒问题的风险。 尽管如此,已经开发出可用于激光材料加工等实际应用的商用中红外光纤激光器。 在这里,人们利用了中红外中各种材料的高吸收。

也可以使用基于中红外光纤的拉曼激光器将光转移到更长的波长[14,16,17]

许多中红外光纤激光器在连续波操作中工作。 此外,可以实现调Q激光器或使用光纤放大器进行纳秒光脉冲,在中红外中具有大量的脉冲能量。 此外,还可以在中红外中构建锁模光纤激光器,例如基于Er3+-掺杂氟化物玻璃纤维[20,21]

使用光纤激光器到达中红外的另一种可能性是将近红外光纤激光器与差频产生结合使用(见下文)。

气体和化学激光器

只有少数气体激光器在中红外区域发射。 一个例子是发射波长为3.391μm的氦氖激光器,输出功率相对较低。 更高的功率可从一氧化碳2激光器,通常在 10.6 μm,但也在各种其他波长下,例如 10.25 μm 和 9.3 μm。

氟化氘化学激光器可以发射大约3.8μm波长的非常高的功率。 它们用于某些军事目的。

基于差分频率生成的信号源

从两个近红外光束开始,非线性晶体中的差频发生(DFG)可以覆盖中红外区域的宽波长范围。 例如,可以使用 1064 nmNd:YAG激光器和波长可调的 1.5 μm掺铒光纤激光器,并将它们的输出混合在周期性极化的铌酸锂 (LiNbO3) 水晶。 例如,当光纤激光器在 1530 nm 和 1580 nm 之间调谐时,中红外输出覆盖 3493 nm 到 3258 nm 的范围。 (该范围对应于与光纤激光器相同的光学频率变化,但在长波长下,这对应于更大的波长范围。

对于连续工作的激光器,非线性转换效率通常相当低,产生的输出功率通常甚至低于1 mW,但这通常足以进行光谱研究。 脉冲光束可以实现更高的输出,例如,来自Q开关激光器,当然需要精确同步。

最近,制造取向图案砷化镓(GaAs)成为可能,它允许人们获得准相位匹配,以产生非常宽的输出波长范围的差异频率。

光参量振荡器、放大器和发生器

非线性频率转换的另一种选择是从单个近红外激光器开始,然后泵浦光参量振荡器(OPO),放大器(OPA)或发生器(OPG)。 然后,产生的空闲波可以在中红外光谱区域。 一些例子:

  • 调Q激光器通常用于泵浦纳秒级OPO,深入中红外区域。 用于此类应用的常见晶体材料是二磷化锌锗(ZGP,ZnGeP2)、硫化银和硒化物(AgGaS2, AgGaSe2)、硒化镓(GaSe)和硒化镉(CdSe)。 由于这些材料中的许多在1μm区域不透明,因此通常必须使用串联OPO:第一个OPO将1μm激光辐射转换为更长的波长,然后用于泵浦实际的中红外OPO。 后者的信号和惰轮都可以在中红外光谱区域。
  • 锁模皮秒Nd:YVO4激光在 1064 nm 处可用于使用 LiNbO 同步泵浦 OPO3晶体,允许惰轮输出高达 4 μm 甚至 4.5 μm,极限由长波长下惰轮吸收的增加设定。 这样的OPO通常具有谐振信号波长,而空闲波则直接耦合到非线性晶体之后。

这种设备可以很容易地产生能量为数十毫焦耳的脉冲。 输出波长可以在数百纳米范围内调谐。

超连续体来源

有一些基于超连续体生成的来源,跨越了中红外区域的很大一部分。 这些光源可以基于某些中红外光纤,通过这些光纤发送强光脉冲,从而发生强烈的非线性相互作用。

如果需要一些可调谐窄带光,可以使用可调谐带通滤波器从宽带输出中提取所需的光谱分量。 在其他情况下,使用全光谱。 一个例子是光学相干断层扫描(OCT)。 这通常在较短波长的区域完成,但中红外光具有更深入地穿透材料且散射较少的优势。

微型中红外光源

开发用于中红外应用的光子集成电路有多种尝试,例如基于硅光子学平台[26]。 不幸的是,在芯片上实现中红外源并不容易,但研究了各种可能的路线。 例如,可以集成基于其他半导体的光源,尽管这在技术上很困难,例如涉及倒装芯片键合技术。 另一种可能性是整合黑体发射器(→热辐射)或发光材料,尽管这不会导致空间相干辐射。

其他方法基于非线性频率转换,利用克尔非线性进行四波混合或受激拉曼散射。 使用微谐振器,还可以生成频率梳。

其他来源

一些不太常用的中红外光源是:

  • 自由电子激光器
  • 倍频CO2激光器

所需光学元件

中红外激光源需要在相关的长波长下工作的特殊光学元件;请参阅有关红外光学的文章。

参考文献

[1] J. F. Butler et al., “Properties of the PbSe diode laser”, IEEE J. Quantum Electron. 1 (1), 4 (1965), doi:10.1109/JQE.1965.1072173
[2] D. E. Cooper and R. E. Warren, “Frequency modulation spectroscopy with lead-salt diode lasers: a comparison of single-tone and two-tone techniques”, Appl. Opt. 26 (17), 3726 (1987), doi:10.1364/AO.26.003726
[3] J. Schneide et al., “Characterization of a Ho3+-doped fluoride fiber laser with a 3.9-μm emission wavelength”, Appl. Opt. 36 (33), 8595 (1997), doi:10.1364/AO.36.008595
[4] S. D. Jackson, “Single-transverse-mode 2.5-W holmium-doped fluoride fiber laser operating at 2.86 μm”, Opt. Lett. 29 (4), 334 (2004), doi:10.1364/OL.29.000334
[5] J. Chen et al., “Single spatial mode room temperature operated 3.15μm diode lasers”, Electron. Lett. 46 (5), 367 (2010), doi:10.1049/el.2010.2894
[6] S. Mirov et al., “Progress in Cr2+ and Fe2+ doped mid-IR laser materials”, Laser & Photon. Rev. 4 (1), 21 (2010), doi:10.1002/lpor.200810076
[7] D. G. Winters et al., “Subpicosecond fiber-based soliton-tuned mid-infrared source in the 9.7–14.9 μm wavelength region”, Opt. Lett. 35 (13), 2179 (2010), doi:10.1364/OL.35.002179
[8] E. Lippert et al., “A 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator”, Opt. Express 18 (25), 26475 (2010), doi:10.1364/OE.18.026475
[9] J. Li et al., “High-power diode-pumped fiber laser operating at 3 μm”, Opt. Lett. 36 (18), 3642 (2011), doi:10.1364/OL.36.003642
[10] S. Mirov et al., “Frontiers of mid-infrared lasers based on transition metal doped II-VI semiconductors”, J. Luminescence 133, 268 (2013), doi:10.1016/j.jlumin.2011.09.040
[11] T. W. Neely et al., “High-power broadband laser source tunable from 3.0 μm to 4.4 μm based on a femtosecond Yb:fiber oscillator”, Opt. Lett. 36 (20), 4020 (2011), doi:10.1364/OL.36.004020
[12] M. Kumar et al., “Stand-off detection of solid targets with diffuse reflection spectroscopy using a high-power mid-infrared supercontinuum source”, Appl. Opt. 51 (15), 2794 (2012), doi:10.1364/AO.51.002794
[13] S. D. Jackson, “Towards high-power mid-infrared emission from a fibre laser”, Nature Photonics 6 (7), 423 (2012), doi:10.1038/nphoton.2012.149
[14] M. Bernier et al., “Mid-infrared chalcogenide glass Raman fiber laser”, Opt. Lett. 38 (2), 127 (2013), doi:10.1364/OL.38.000127
[15] V. Fortin et al., “Towards the development of fiber lasers for the 2 to 4 μm spectral region”, Optical Engineering 52 (5), 054202 (2013), doi:10.1117/1.OE.52.5.054202
[16] V. Fortin et al., “Modeling of As2S3 Raman fiber lasers operating in the mid-infrared”, IEEE Photonics Journal 5 (6), 1502309 (2013), doi:10.1109/JPHOT.2013.2287561
[17] M. Bernier et al., “3.77 μm fiber laser based on cascaded Raman gain in a chalcogenide glass fiber”, Opt. Lett. 39 (7), 2052 (2014), doi:10.1364/OL.39.002052
[18] S. Crawford, D. D. Hudson and S. D. Jackson, “High-power broadly tunable 3-μm fiber laser for the measurement of optical fiber loss”, IEEE Photonics Journal 7 (3), 1502309 (2015), doi:10.1109/JPHOT.2015.2430012
[19] V. Fortin et al., “30 W fluoride glass all-fiber laser at 2.94 μm”, Opt. Lett. 40 (12), 2882 (2015), doi:10.1364/OL.40.002882
[20] S. Duval et al., “Femtosecond fiber lasers reach the mid-infrared”, Optica 2 (7), 623 (2015), doi:10.1364/OPTICA.2.000623
[21] S. Doval et al., “Watt-level fiber-based femtosecond laser source tunable from 2.8 to 3.6 μm”, Opt. Lett. 41 (22), 5294 (2016), doi:10.1364/OL.41.005294
[22] M. Ebrahim-Zadeh and K. Vodopyanov, “Mid-infrared coherent sources and applications: introduction”, J. Opt. Soc. Am. B 33 (11), MIC1 (2016), doi:10.1364/JOSAB.33.00MIC1
[23] R. I. Woodward et al., “Generation of 70-fs pulses at 2.86 μm from a mid-infrared fiber laser”, Opt. Lett. 42 (23), 4893 (2017), doi:10.1364/OL.42.004893
[24] F. Maes et al., “5.6 W monolithic fiber laser at 3.55 μm”, Opt. Lett. 42 (11), 2054 (2017), doi:10.1364/OL.42.002054
[25] F. Maes et al., “Room-temperature fiber laser at 3.92 μm”, Optica 5 (7), 761 (2018), doi:10.1364/OPTICA.5.000761
[26] H. Lin et al., “Mid-infrared integrated photonics on silicon: a perspective”, Nanophotonics 7 (2), 393 (2018), doi:10.1515/nanoph-2017-0085
[27] Y. O. Aydin et al., “Towards power scaling of 2.8 μm fiber lasers”, Opt. Lett. 43 (18), 4542 (2018), doi:10.1364/OL.43.004542
[28] C. Rosenberg Petersen, “Mid-infrared multispectral tissue imaging using a chalcogenide fiber supercontinuum source”, Opt. Lett. 43 (5), 999 (2018), doi:10.1364/OL.43.000999
[29] J.-P. Bérubé et al., “Direct inscription of on-surface waveguides in polymers using a mid-ir fiber laser”, Opt. Express 27 (21), 31013 (2019), doi:10.1364/OE.27.031013
[30] V. Fortin et al., “10-W-level monolithic dysprosium-doped fiber laser at 3.24 μm”, Opt. Lett. 44 (3), 491 (2019), doi:10.1364/OL.44.000491
[31] S. Venck et al., “2–10 μm mid-infrared fiber-based supercontinuum laser source: experiment and simulation”, Laser & Photonics Reviews 14 (6), 2000011 (2020), doi:10.1002/lpor.202000011
[32] B. I. Denker et al., “Resonantly pumped Ce3+ mid-infrared lasing in selenide glass”, Opt. Lett. 46 (16), 4002 (2021), doi:10.1364/OL.431938
[33] L. Yu et al., “Average-power (4.13 W) 59 fs mid-infrared pulses from a fluoride fiber laser system”, Opt. Lett. 47 (10), 2562 (2022), doi:10.1364/OL.457438
[34] H. Luo et al., “Red-diode-clad-pumped Er3+/Dy3+ codoped ZrF4 fiber: A promising mid-infrared laser platform”, Opt. Lett. 47 (20), 5313 (2022), doi:10.1364/OL.470436

非线性光学

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