Приложения на лазери със средно инфрачервени влакна

Средно инфрачервен лазерсе отнася до електромагнитни вълни с дължина на вълната в лентата 3 μm ~ 1000 μm; В областта на лазерната технология, средната инфрачервена част се определя като лентата 2 μm ~ 5 μm. Средните инфрачервени лазери имат уникални диапазони на дължината на вълната и характеристиките на молекулярната абсорбция и са подходящи за различни сценарии на приложение; Докато импулсните влакна лазери са показали широк потенциал за приложение в промишлената обработка и други полета с техните предимства като високо качество на лъча, добра стабилност и компактна структура.

Средната инфрачервена лента съдържа два основни атмосферни прозорци за трансмисия (3 ~ 5 μm и 8 ~ 12 µm региона). В тези ленти абсорбцията на основните компоненти в атмосферата е много ниска, така че може да се постигне предаване на дълги разстояния, което е подходящо за дистанционно наблюдение, откриване и други полета.
Средната инфрачервена лента е разположена в основната резонансна област на вибрационния резонанс от повечето молекули, а много течности, газове и неметални материали имат силно абсорбция на средно инфрачервена светлина. Тази функция прави средните инфрачервени лазери да имат важни приложения при спектрален анализ, мониторинг на околната среда, медицинска диагностика и други области.

Основни технологии на средно инфрачервени импулсни влакна лазери
1. Получете среден избор
① Рядки земни влакна:
ER³⁺ (Erbium Ion): Обикновено се използва за постигане на лазерна продукция в диапазона 2,7 ~ 2,8 µm, подходяща за медицинско, атмосферно дистанционно наблюдение и други полета. Структурата на енергийното му ниво позволява да генерира средни инфрачервени лазери при специфични условия на изпомпване.
Ho³⁺ (Holmium Ion): Може да генерира лазери в 2. 0 ~ 2.1 μm лента, често кокосен с други йони (като кокоши с PR³⁺), за да се оптимизира лазерната производителност. Тази лента е в прозореца за атмосферна трансмисия, безопасен за човешки очи и има стойност на приложението в лазерния радар и други полета.
TM³⁺ (Thulium Ion): Може да генерира лазери в диапазона 2,3 µm, което е смислено за определен специфичен спектрален анализ и приложения.
② Преобразуване на нелинейна честота:
OPO (оптичен параметричен осцилатор): Въз основа на процеса на параметрично усилване в нелинейните кристали, енергията на светлината на помпата се преобразува в сигнална светлина и светлина на празен ход. Чрез избора на подходящи нелинейни кристали и осцилаторни дизайни, може да се получи лазерен изход в средната инфрачервена лента и може да се постигне настройка в по-широк диапазон на дължината на вълната.
DFG (стимулирано разсейване на Раман): Средните инфрачервени лазери се генерират с помощта на ефекта на разсейване на Раман. Чрез регулиране на параметрите на светлината на помпата и характеристиките на рамановата среда могат да се постигнат средни инфрачервени лазерни изходи с различни дължини на вълната, но обикновено се изисква по-висока мощност на помпата.
2. Механизъм за генериране на импулси
① Технология за превключване на Q:
Активно Q-превключване: Загубата или мощността на помпата на лазера се контролират от външен модулационен сигнал, така че плътността на фотона в лазерната кухина периодично да се променя, като по този начин генерира импулсен лазерен изход. Например, лазерът се модулира с помощта на компоненти като акусто-оптичен модулатор или електрооптичен модулатор за генериране на импулси. Този метод може точно да контролира честотата на повторение и ширината на импулса на импулса, но изисква допълнително оборудване за модулация, което увеличава сложността на системата.
Пасивно Q-превключване: Нелинейните характеристики на абсорбция на пасивни компоненти като наситени абсорбатори се използват за модулиране на плътността на фотоните в лазерната кухина. Когато плътността на фотона достигне определен праг, коефициентът на абсорбция на наситимия абсорбатор се променя, като по този начин променя загубата на лазерната кухина и генерира импулсни лазери. Пасивното превключване на Q има проста структура и ниска цена, но честотата на повторение и ширината на импулса на импулса са сравнително трудни за контрол.
② Технология за заключване на режим:
Материал наситено абсорбция (MSA) Режим Заключване: Материали с оптични нелинейни характеристики на абсорбция се използват като устройства за заключване на режим, като търговски полупроводникови огледала за наситени абсорбиращи (SESAM) и нови наноматериали (като графен, въглеродни нанотръби и др.). Тези материали имат силна абсорбция за слаба светлина и висока пропускливост за силна светлина, като по този начин постигат интракавитни импулсни импулси и генериращи импулси, заключени от режим.
Нелинейно поляризационно въртене (NPR) Режим-заключване: С помощта на нелинейния KERR ефект на самото оптично влакно се прилагат различни нелинейни фазови смени за светлина в различни посоки на поляризация. Съгласно действието на интракавитното поляризационно устройство, резонансната кухина проявява характеристики, подобни на наситената абсорбция, като по този начин постига заключване на режима. Тази технология не е ограничена от пропастта на лентата и времето за релаксация на материала, има преходни ултрабързи характеристики на възстановяване и висока дълбочина на модулация и праг на повреда и е подходяща за генериране на импулс с висока мощност на фемтосекундно.
Заключване на режима на честотно изместване (FSF) Заключване: Чрез определен механизъм за обратна връзка честотата на част от изходната светлина се измества и се подава обратно в лазерната кухина, взаимодействайки с светлинно поле в кухината, за да се образува стабилна импулсна последователност. Този метод за заключване на режим може да постигне висока честота на повторение и тесна ширина на импулсите на импулсите.
3. Основни предизвикателства
① Термично управление:
Средните инфрачервени пулсови влакна лазери генерират много топлина по време на работа. Ако топлината не може да се разсее навреме и ефективно, това ще доведе до проблеми като деградация на лазерната производителност и увреждане на влакната. Следователно е необходимо да се приеме ефективна технология за разсейване на топлина и мерки за управление на термично управление, като например използване на материали за матрица на влакна с висока топлинна проводимост, проектиране на разумни структури на разсейване на топлината и използване на охлаждащи устройства, за да се гарантира стабилната работа на лазера.
② Ефект за потъмняване на фотони:
При условия на изпомпване с висока мощност, ефектът на потъмняване на фотоните в оптични влакна, легирани с рядкозем, ще повлияе на производителността и живота на лазера. Потъмняването на фотона се отнася до явлението, че когато лазерният материал се облъчва със силна светлина, електроните, генерирани от светлинното възбуждане, се улавят от центъра на капана, което води до промени в характеристиките на абсорбцията и емисиите на материала. За да се намали въздействието на ефекта на потъмняване на фотоните, е необходимо да се оптимизира концентрацията на допинг на оптичното влакно, да се подобри процеса на приготвяне на оптичното влакно, изберете подходящ източник на помпа и условия на работа и т.н.
③ Ограничения на материалите за оптични влакна със средно инфрачервени оптични влакна:
Понастоящем видовете оптични влакна, които могат да се използват в средната инфрачервена лента, са ограничени и все още има някои проблеми в процеса на рисуване, оптичните свойства и механичните свойства на оптичното влакно. Например, въпреки че флуоридното стъклено влакно е често използван материал от оптични матрици със средно инфрачервени влакна, неговата фононова енергия е сравнително висока, което ограничава обхвата на дължината на вълната на емисиите на лазера; Сулфидните стъклени фибри имат проблеми като лоша химическа стабилност и затруднения при приготвянето. Следователно е необходимо непрекъснато да се изследват и разработват нови оптични материали със средно инфрачервени оптични влакна, за да задоволят нуждите на развитието на лазерите с импулсни влакна със среден инфлекси.

Основни области на приложение
1. Медицински и биологични изображения
① Лазерна операция
Принцип: Средните инфрачервени лазери (2-5 μm лента) могат да бъдат силно абсорбирани от водни молекули, а около 70% от човешката тъкан е вода. Това позволява енергията на средните инфрачервени лазери да се концентрира върху повърхността, когато влязат в контакт с човешката тъкан, намалявайки топлинните увреждания на околните тъкани. Например, при офталмологична хирургия тази характеристика може да се използва за извършване на високо прецизно рязане на роговицата, без да причинява ненужно увреждане на други очни тъкани.
Предимства: В сравнение с традиционната видима светлина или близо инфрачервена лазерна хирургия, средната инфрачервена лазерна хирургия има по-голяма точност и по-ниски топлинни ефекти, което може да постигне по-деликатни хирургични операции и да намали времето за болка и възстановяване на пациентите.
② Изобразяване на тъкан без етикети
Принцип: Например технологията за оптична кохерентност (OCT) използва ниските характеристики на разсейване на средните инфрачервени лазери, за да извърши томографско изображение на биологични тъкани с висока разделителна способност. Когато средно инфрачервената светлина се облъчва върху тъканите, тъканните слоеве на различни дълбочини ще отразяват сигналите на задна светлина с различна интензивност. Чрез събиране и обработка на тези сигнали чрез детектори може да се изгради триизмерно структурно изображение на тъканта.
Предимства: Този метод за изобразяване не изисква оцветяване или маркиране на тъканите, избягвайки увреждането и химическото замърсяване, които традиционните методи за оцветяване могат да причинят на тъканите и могат да получат динамична информация на тъканите в реално време, осигурявайки мощен инструмент за ранна диагностика и лечение на заболявания.
2. Мониторинг на околната среда и сензор на газа
① Откриване на газ следи
Принцип: Много следи газове (като Co₂, CH₄ и т.н.) имат характерни пикове на абсорбция в средната инфрачервена лента. Чрез насочване на лазера, излъчван от средно инфрачервения импулсен влакнест лазер на газовата проба, който трябва да бъде тестван, и измерване на промяната на енергията, след като газът абсорбира светлината на специфична дължина на вълната, може да се определи концентрацията на газа. Например, Co₂ има силен пик на абсорбция при 4.26 μm. Чрез откриване на затихването на лазерната енергия при тази дължина на вълната може да се направи концентрацията на CO₂.
Предимства: Лазерите с импулсни влакна със средни инфлези имат характеристиките на висока чувствителност и висока разделителна способност и могат да открият следи от газове при изключително ниски концентрации, което има голямо значение за мониторинга на околната среда, контрола на индустриалния процес и изследванията на изменението на климата.
② Анализ на атмосферното замърсяване
Принцип: Замърсителите в атмосферата (като азотни оксиди, сулфиди и др.) Също имат различни характеристики на абсорбция в средната инфрачервена лента. Чрез сканиране на атмосферата със среден инфразиран импулсен влакно лазер, разпределението на концентрацията на множество замърсители може да бъде открито едновременно. Например, чрез анализиране на абсорбцията на лазери с различна дължина на вълната в атмосферата може да се направи карта за пространствено разпределение на замърсителите.
Предимства: Този отдалечен метод за измерване без контакт може бързо и широко да получи информация за атмосферното замърсяване, без да събира проби, осигурявайки ефективно средство за опазване на околната среда и оценка на качеството на въздуха.
3. Промишлена обработка
① Полимер/полупроводникова прецизна обработка
Принцип: Средните инфрачервени лазери могат да бъдат силно абсорбирани от полимери и полупроводници, причинявайки молекулните връзки вътре в материалите да се счупят, като по този начин се постигне отстраняване или модификация на материала. По време на процеса на прецизна обработка, чрез прецизно контролиране на параметрите на лазера (като ширина на импулса, енергийна плътност и др.), Материалът може да бъде изрязан, пробит, гравиран и други операции могат да се извършват с висока точност. Например, при производството на полупроводникови чипове, средните инфрачервени лазери могат да се използват за постигане на микропроцеса на силициеви вафли и подобряване на интеграцията и работата на чиповете.
Предимства: В сравнение с традиционната технология за механична обработка или фотолитография, средната инфрачервена лазерна обработка има предимствата на безконтактната, висока точност и висока ефективност, които могат да избегнат механичния стрес и повреда на материалите и да подобрят качеството и надеждността на продукта.
② Намаляване на прозрачно рязане на материали
Принцип: Някои инфрачервени прозрачни материали (като чалкогенидно стъкло) имат добра предаване в средната инфрачервена лента. Когато тези материали се отрежат от средни инфрачервени импулсни лазери, лазерната енергия се абсорбира вътре в материала и се превръща в топлинна енергия, което води до частично се стопява или изпарява, като по този начин постига рязане. Чрез регулиране на пътя на сканиране и параметрите на лазера може да се отрежат материалните части с различни форми и размери.
Предимства: Този метод на рязане има предимствата на гладките ръбове, висока точност и малка зона, засегната от топлина, която може да отговори на нуждите на инфрачервените оптични системи, аерокосмическото пространство и други полета за високоефективни инфрачервени прозрачни материали.
4. Национална отбрана и сигурност
① Нарушено противодействие
Principle: In military applications, mid-infrared pulsed fiber lasers can be used to emit high-power infrared laser beams to interfere with or destroy enemy infrared detection equipment, guided weapons, etc. For example, by emitting lasers with the same working wavelength as the enemy's infrared detection system, its detector is saturated or invalidated, thereby protecting one's own targets.
Предимства: Средните инфрачервени лазери имат добри характеристики на атмосферно предаване и силни възможности за борба с интерференцията. Те могат ефективно да прилагат инфрачервени противодействия в сложни среди на бойното поле и да подобрят бойната ефективност и оцеляването на военното оборудване.
② Лазерен радар (LIDAR)
Принцип: Лидар изчислява разстоянието, посоката, височината и друга информация на целта, като излъчва лазерни импулси и получава сигналите, отразени от целта. Средните инфрачервени пулсови влакна лазери могат да постигнат по-голямо разстояние и по-високо прецизно откриване на целта поради кратките си импулси и висока пикова мощност. Например, в приложения като топографско картографиране и идентификация на целта, средният инфрачервен лазерен радар може да получи по-подробна целева информация.
Предимства: В сравнение с традиционните микровълнови радари, средните инфрачервени лазерни радари имат по-висока разделителна способност и точност, могат по-добре да идентифицират и класифицират целите и да имат важни перспективи за приложение в разузнаването на отбраната, автономното шофиране и други полета.
③ Откриване на отдалечени експлозиви
Принцип: Много експлозиви (като динамит, лекарства и т.н.) имат характерни спектри в средната инфрачервена лента. Използвайте лазерите на импулсни влакна със средни инфрачервени влакна, за да осветявате целите на дълги разстояния, да събирате спектрални сигнали, отразени от целите, и да определите дали експлозивите съществуват чрез анализ на спектрални характеристики. Например, в местата за проверка на сигурността като летища и пристанища, за проверка на персонала и багажа може да се използва средно инфрачервен лазерно оборудване за отдалечено откриване.
Предимства: Този метод за дистанционно откриване има предимствата на безконтактните, бързи и точни. Той може своевременно да открие потенциални опасности за безопасността, без да повлиява на нормалните операции, и да гарантира обществената безопасност и социалното осигуряване.
5. Научни изследвания
① Ултрабърза спектроскопия
Принцип: Ултрабърза спектроскопия изследва промените в спектралните характеристики на веществата за изключително кратко време (фемтосекунда, ниво на пикосекунда). Средно инфрачервените импулсни влакна лазери могат да произвеждат изключително къси импулсни лазери, които могат да се използват за възбуждане на проби и откриване на техните ултрабързи спектрални отговори. Например, чрез технологията на помпата-сонда, пробата се изпомпва със среден инфрачервен лазер, за да се получи възбудено състояние, а след това се използва друг лазерен лъч за откриване на спектралните промени на пробата в различни времена на закъснение, така че да се проучат ултрабързите процеси като електронното състояние и вибрацията на решетката на веществото.
Предимства: Той предоставя мощен метод за изследване на полета като химия, физика и материали, който помага да се разбере дълбоко вътрешната структура и динамичния процес на веществата.
② Манипулация на студена молекула
Принцип: Взаимодействието между средните инфрачервени лазери и молекули може да се използва за улавяне, преместване и манипулиране на студени молекули. Чрез прецизно регулиране на честотата, интензивността и фазата на лазера може да се образува специфичен оптичен потенциал за затваряне на студените молекули и реализиране на контрола на движението на молекулите. Например, в областта на квантовите изчислителни и квантовата обработка на информацията, средните инфрачервени лазери могат да се използват за манипулиране на квантовото състояние на студените молекули за постигане на работата на квантовите битове.
Предимства: Той предоставя нова експериментална платформа за изследване на квантовата физика, химическата физика и други полета и се очаква да направи важни пробиви в квантовите изчисления, квантовата симулация и други аспекти.
③ Генериране на атосекундни импулси
Принцип: Чрез нелинейни оптични процеси, като хармонично генериране от висок ред (HHG), лазерите с импулсни влакна със средно инфулрани влакна могат да генерират ултракортни импулси на нивото на атосекунда (10⁻⁸ секунди). Когато средните инфрачервени лазери взаимодействат с атоми или молекули, се генерират хармоници от висок ред. Честотите на тези хармоници са в крайната ултравиолетова (XUV) лента и техните ширини на импулса могат да достигнат нивото на атосекунда.
Предимства: Той осигурява изключително висока разделителна способност за изследване на ултрабързи процеси като ядрено движение и електронна динамика, което помага за по -нататъшно разкриване на мистериите на микроскопичния свят на материята.

В обобщение, лазерите с импулсни влакна със средни инфрази показаха широки перспективи за приложение и голям потенциал в областта на медицинските и биологичните изображения, мониторинга на околната среда и сензора на газа, индустриалната обработка, националната отбрана и сигурността и научните изследвания. С непрекъснатото развитие и подобряване на технологиите се смята, че средните инфрагирани импулсни влакна лазери ще играят важна роля в повече области и ще донесат повече благосъстояние и напредък в човешкото общество.

Информация за контакт:

Ако имате някакви идеи, не се колебайте да говорите с нас. Без значение къде са нашите клиенти и какви са нашите изисквания, ние ще следваме нашата цел да предоставим на нашите клиенти висококачествени, ниски цени и най -доброто обслужване.