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。文中主要對(duì)光參量振蕩器（OPO）、光參量放大器（OPA）、量子級(jí)聯(lián)激光器、超連續(xù)譜光源四大類做了簡(jiǎn)單介紹和對(duì)比。

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（可見波長(zhǎng)范圍的上限）的光。

該描述中沒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。

例如，700nm處的光在人眼中的響應(yīng)程度已經(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 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 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題，因?yàn)槿搜劬劢构δ芗嫒萁t外和可見光范圍，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)膜承受過大能量損壞，所以在這個(gè)波段使用光源要充分注意用眼保護(hù)。

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

這個(gè)區(qū)域?qū)ρ劬碚f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)吸收譜線，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開始，見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（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近紅外區(qū)的泛吸收線來研究其中一些分子，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軍方用于針對(duì)熱導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)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。這可以通過鎖模激光器來生成。

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)用中也扮演著極其重要的角色

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)諧激光器都是必不可少的工具。科學(xué)家們通過調(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。這樣一來，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秘密的密碼書。

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。通過精確調(diào)諧激光的波長(zhǎng)，中紅外光線可以穿透生物組織，帶來高分辨率的圖像。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。

國(guó)防和安全領(lǐng)域同樣離不開中紅外可調(diào)諧激光器的應(yīng)用。在紅外對(duì)抗中，尤其是針對(duì)熱追蹤導(dǎo)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)免受導(dǎo)彈的追蹤與攻擊。通過快速調(diào)整激光的波長(zhǎng)，這些系統(tǒng)可以干擾來襲導(dǎo)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，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型的鉛鹽激光器，以及常見的摻雜絕緣體體激光器，各種光纖激光器，二氧化碳?xì)怏w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。

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光參量振蕩器、放大器和發(fā)生器(OPO和OPA）

在非線性頻率轉(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 開關(guān)激光器作為泵浦源。用于此類應(yīng)用的常見晶體材料有二磷化鋅鍺（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：第一個(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的產(chǎn)品參數(shù)表：

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CWOPO

相比較于一般OPO的脈沖激發(fā)，進(jìn)來的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，此類產(chǎn)品可以提供很優(yōu)秀的線寬 （<100 MHz ）

這使得此類產(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的產(chǎn)品參數(shù)表：