Anvendelser af midt-infrarøde pulserede fiberlasere

Midt-infrarød laserhenviser til elektromagnetiske bølger med en bølgelængde i 3μm ~ 1000μm bånd; Inden for laserteknologi defineres midt-infrarød generelt som 2μm ~ 5μm-båndet. Mid-infrarøde lasere har unikke bølgelængdeområder og molekylære absorptionsegenskaber og er egnede til en række anvendelsesscenarier; Mens pulserede fiberlasere har vist et bredt anvendelsespotentiale i industriel behandling og andre felter med deres fordele såsom højstrålekvalitet, god stabilitet og kompakt struktur.

Det midterste infrarøde bånd indeholder to vigtigste atmosfæriske transmissionsvinduer (3 ~ 5 μm og 8 ~ 12 μm regioner). I disse bånd er absorptionen af ​​hovedkomponenterne i atmosfæren meget lav, så langdistance transmission kan opnås, hvilket er velegnet til fjernmåling, detektion og andre felter.
Det midterste infrarøde bånd er placeret i den grundlæggende vibrationsresonansregion af de fleste molekyler, og mange væsker, gasser og ikke-metalliske materialer har stærk absorption af midtinfrarødt lys. Denne funktion gør, at midtinfrarøde lasere har vigtige anvendelser inden for spektral analyse, miljøovervågning, medicinsk diagnose og andre felter.

Nøgelsesteknologier til mid-infrarøde pulserede fiberlasere
1. Få medium valg
① Sjælden jorddopet fiber:
Er³⁺ (Erbiumion): normalt bruges til at opnå laserudgang i 2,7 ~ 2,8 μm bånd, der er egnet til medicinsk, atmosfærisk fjernmåling og andre felter. Dens energiniveaustruktur gør det muligt for den at generere midt-infrarøde lasere under specifikke pumpeforhold.
Ho³⁺ (Holmium ion): Kan generere lasere i 2. 0 ~ 2,1 μm bånd, ofte co-dopet med andre ioner (såsom co-dopet med PR³⁺) for at optimere laserpræstation. Dette band er i det atmosfæriske transmissionsvindue, sikkert for menneskelige øjne og har applikationsværdi i laserradar og andre felter.
Tm³⁺ (thuliumion): kan generere lasere i 2,3 μm båndet, hvilket er meningsfuldt til visse specifikke spektrale analyser og anvendelser.
② Ikke -lineær frekvensomdannelse:
OPO (Optisk parametrisk oscillator): Baseret på den parametriske amplifikationsproces i ikke -lineære krystaller konverteres energien fra pumpelys til signallys og tomgangslys. Ved at vælge passende ikke-lineære krystaller og oscillatordesign kan laserudgang i det midterste infrarøde bånd opnås, og indstilling kan opnås inden for et bredere bølgelængdeområde.
DFG (stimuleret Raman-spredning): Mid-infrarøde lasere genereres ved hjælp af Raman-spredningseffekten. Ved at justere parametrene for pumpelyset og egenskaberne ved Raman-mediet kan midt-infrarøde laserudgange af forskellige bølgelængder opnås, men der kræves normalt højere pumpekraft.
2. Pulsgenerationsmekanisme
① Q-switching-teknologi:
Aktiv Q-switching: Laserens tab eller pumpekraft styres af et eksternt modulationssignal, så fototontætheden i laserhulen med jævne mellemrum ændres og derved genererer pulserende laserudgang. For eksempel moduleres laseren ved hjælp af komponenter såsom en akustooptisk modulator eller en elektrooptisk modulator til at generere pulser. Denne metode kan nøjagtigt kontrollere gentagelsesfrekvensen og pulsbredden af ​​pulsen, men kræver yderligere modulationsudstyr, hvilket øger systemets kompleksitet.
Passiv Q-switching: De ikke-lineære absorptionskarakteristika for passive komponenter, såsom mættede absorbere, bruges til at modulere fotondensiteten i laserhulen. Når fotondensiteten når en bestemt tærskel, ændres absorptionskoefficienten for de mættede absorberer og ændrer derved tabet af laserhulrummet og genererer pulserede lasere. Passiv Q-switching har en simpel struktur og lave omkostninger, men gentagelsesfrekvensen og pulsbredden af ​​pulsen er relativt vanskelig at kontrollere.
② Mode-locking-teknologi:
Materiel mættelig absorption (MSA) -tilstandslåsning: Materialer med optiske ikke-lineære absorptionsegenskaber bruges som mode-locking-enheder, såsom kommercielle halvledermættelige absorberspejle (SESAM) og nye nanomaterialer (såsom grafen, kulstof nanotubes osv.). Disse materialer har stærk absorption for svagt lys og høj transmission for stærkt lys og opnåer derved intracavity-pulsindvikling og generering af tilstandslåste pulser.
Ikke-lineær polariseringsrotation (NPR) -tilstandslåsning: Ved hjælp af den ikke-lineære Kerr-effekt af selve den optiske fiber påføres forskellige ikke-lineære faseskift til lys i forskellige polarisationsretninger. Under virkningen af ​​polarisationsindretningen af ​​intracaviteten udviser resonanshulen egenskaber, der ligner mættelig absorption, og derved opnår mode-locking. Denne teknologi er ikke begrænset af båndgabet og afslapningstid for materialet, har kortvarige ultrahastiske gendannelsesegenskaber og høj modulationsdybde og skaderetærskel og er velegnet til højeffekt femtosekund pulsgenerering.
Frekvens Shift Feedback (FSF) -tilstand Låsning: Gennem en bestemt feedbackmekanisme forskydes hyppigheden af ​​en del af udgangslyset og føres tilbage til laserhulen, og interagerer med det lette felt i hulrummet for at danne en stabil mode-låset pulssekvens. Denne tilstandslåsemetode kan opnå høj gentagelsesfrekvens og smal pulsbredde af pulser.
3. kerneudfordringer
① Termisk styring:
Midt-infrarøde pulsfiberlasere genererer en masse varme under drift. Hvis varmen ikke kan spredes i tid og effektivt, vil den føre til problemer såsom nedbrydning af laserpræstation og fiberskader. Derfor er det nødvendigt at anvende effektiv varmeafledningsteknologi og termiske styringsforanstaltninger, såsom at bruge fibermatrixmaterialer med høj termisk ledningsevne, designe rimelige varmeafledningstrukturer og bruge køleanordninger for at sikre den stabile drift af laseren.
② Foton mørkereffekt:
Under pumpeforhold med høj effekt vil den foton mørkereffekt i sjældne jorddopede optiske fibre påvirke laserens ydelse og levetid. Foton mørkere henviser til fænomenet, at når lasermaterialet er bestrålet af stærkt lys, fanges elektronerne genereret ved lys excitation af fældecentret, hvilket resulterer i ændringer i materialets absorptions- og emissionskarakteristika. For at reducere virkningen af ​​den foton mørkeeffekt er det nødvendigt at optimere dopingkoncentrationen af ​​den optiske fiber, forbedre forberedelsesprocessen for den optiske fiber, vælge en passende pumpekilde og arbejdsvilkår osv.
③ Begrænsninger af midtinfrarøde optiske fibermaterialer:
I øjeblikket er de typer optiske fibermaterialer, der kan bruges i det midterste infrarøde bånd, begrænsede, og der er stadig nogle problemer i tegneprocessen, optiske egenskaber og mekaniske egenskaber ved den optiske fiber. Selvom fluoridglasfiber for eksempel er et almindeligt anvendt midtinfrarødt optisk fibermatrixmateriale, er dens fononenergi relativt høj, hvilket begrænser laserens emissionsbølgelængde; Sulfidglasfiber har problemer såsom dårlig kemisk stabilitet og vanskeligheder i forberedelse. Derfor er det nødvendigt at kontinuerligt udforske og udvikle nye midt-infrarøde optiske fibermaterialer for at imødekomme udviklingsbehovet for mid-infrarøde pulserede fiberlasere.

Hovedapplikationsområder
1. medicinsk og biologisk billeddannelse
① Laserkirurgi
Princip: Mid-infrarøde lasere (2-5 μm bånd) kan absorberes stærkt af vandmolekyler, og ca. 70% af humant væv er vand. Dette gør det muligt at koncentrere energien fra midtinfrarøde lasere på overfladen, når de kommer i kontakt med humant væv, hvilket reducerer termisk skade på omgivende væv. For eksempel i oftalmisk kirurgi kan denne funktion bruges til at udføre hornhindeskæring med høj præcision uden at forårsage unødvendig skade på andre øjevæv.
Fordele: Sammenlignet med traditionelt synligt lys eller næsten infrarød laserkirurgi har midtinfrarød laserkirurgi højere præcision og lavere termiske effekter, hvilket kan opnå mere delikate kirurgiske operationer og reducere patienternes smerte og genopretningstid.
② Etiketfrit vævsafbildning
Princip: F.eks. Bruger Optical Coherence Tomography (OCT) -teknologi de lave spredningsegenskaber ved midtinfrarøde lasere til at udføre tomografisk billeddannelse af biologisk væv i høj opløsning. Når midtinfrarødt lys bestråles på væv, vil vævslag på forskellige dybder afspejle baglyssignaler med forskellige intensiteter. Ved at indsamle og behandle disse signaler gennem detektorer kan et tredimensionelt strukturelt billede af vævet konstrueres.
Fordele: Denne billeddannelsesmetode kræver ikke farvning eller markering af væv, undgå skader og kemisk kontaminering, som traditionelle farvningsmetoder kan forårsage væv, og kan opnå dynamisk information om væv i realtid, hvilket tilvejebringer et kraftfuldt værktøj til tidlig diagnose og behandling af sygdomme.
2. Miljøovervågning og gasfølelse
① Spor gasdetektion
Princip: Mange sporingsgasser (såsom CO₂, CH₄ osv.) Har karakteristiske absorptionstoppe i det midterste infrarøde bånd. Ved at sigte laseren, der udsendes ved den midterste infrarøde pulserede fiberlaser ved gasprøven, der skal testes og måler energiændringen, efter at gassen absorberer lyset for en bestemt bølgelængde, kan koncentrationen af ​​gassen bestemmes. For eksempel har CO₂ en stærk absorptionstop på 4,26μm. Ved at detektere dæmpningen af ​​laserenergien ved denne bølgelængde kan koncentrationen af ​​CO₂ udledes.
Fordele: Mid-infrarøde pulserede fiberlasere har egenskaberne ved høj følsomhed og høj opløsning og kan påvise sporingsgasser i ekstremt lave koncentrationer, hvilket er af stor betydning for miljøovervågning, industriel processtyring og forskning i klimaændringer.
② Atmosfærisk forureningsanalyse
Princip: Forurenende stoffer i atmosfæren (såsom nitrogenoxider, sulfider osv.) Har også forskellige absorptionsegenskaber i det midterste infrarøde bånd. Ved at scanne atmosfæren med en midt-infrarød pulseret fiberlaser kan koncentrationsfordelingen af ​​flere forurenende stoffer påvises samtidigt. For eksempel kan der ved at analysere absorptionen af ​​lasere af forskellige bølgelængder i atmosfæren, et rumligt fordelingskort over forurenende stoffer.
Fordele: Denne fjernbetjeningsmetode, der ikke er kontakt, kan hurtigt og vidt opnå atmosfærisk forureningsoplysninger uden at indsamle prøver, hvilket giver et effektivt middel til miljøbeskyttelse og luftkvalitetsvurdering.
3. Industriel behandling
① Polymer/halvlederpræcisionsbehandling
Princip: Mid-infrarøde lasere kan absorberes stærkt af polymerer og halvledermaterialer, hvilket får de molekylære bindinger inde i materialerne til at bryde og derved opnå fjernelse eller modifikation af materiale. Under præcisionsbehandlingsprocessen ved nøjagtigt at kontrollere laserens parametre (såsom pulsbredde, energitæthed osv.) Kan materialet klippes, bores, indgraveres og andre operationer kan udføres med høj præcision. F.eks. I halvlederchipfremstilling kan midtinfrarøde lasere bruges til at opnå mikroforarbejdning af siliciumskiver og forbedre chipsens integration og ydeevne.
Fordele: Sammenlignet med traditionel mekanisk behandling eller fotolitografiteknologi har midtinfrarød laserbehandling fordelene ved ikke-kontakt, høj præcision og høj effektivitet, hvilket kan undgå mekanisk stress og skade på materialer og forbedre produktkvaliteten og pålideligheden.
②Infrared gennemsigtigt materialeskæring
Princip: Nogle infrarøde gennemsigtige materialer (såsom chalcogenidglas) har god transmission i det midterste infrarøde bånd. Når disse materialer skæres af midt-infrarøde pulserede fiberlasere, absorberes laserenergien inde i materialet og omdannes til varmeenergi, hvilket får materialet til delvist at smelte eller fordampe og derved opnå skæring. Ved at justere scanningsstien og parametre for laseren kan materielle dele af forskellige former og størrelser skæres.
Fordele: Denne skæremetode har fordelene ved glatte kanter, høj præcision og lille varmepåvirket zone, som kan imødekomme behovene i infrarøde optiske systemer, rumfart og andre felter til infrarøde gennemsigtige materielle dele med høj ydeevne.
4. nationalt forsvar og sikkerhed
①infrarede modforanstaltninger
Princip: I militære applikationer kan midt-infrarøde pulserede fiberlasere bruges til at udsende high-power infrarøde laserbjælker for at forstyrre eller ødelægge fjendens infrarøde detektionsudstyr, styrede våben osv. For eksempel ved at udsende lasere med de samme arbejdsbølgelængde som fjendens infrarede detektionssystem, er det den sektor, der er løst eller invalideret, hvorved der er en enkelt arbejdsbølgelængde.
Fordele: Mid-infrarøde lasere har gode atmosfæriske transmissionskarakteristika og stærke anti-interferensfunktioner. De kan effektivt implementere infrarøde modforanstaltninger i komplekse slagmarkmiljøer og forbedre kampens effektivitet og overlevelsesevne af militært udstyr.
② Laserradar (Lidar)
Princip: LIDAR beregner afstanden, retning, højde og anden information om målet ved at udsende laserimpulser og modtage de signaler, der reflekteres af målet. Midt-infrarøde pulsfiberlasere kan opnå længere afstand og højere præcisionsmåldetektion på grund af deres korte pulser og høje spidsstyrke. For eksempel i applikationer som topografisk kortlægning og målidentifikation kan midt-infrarød laserradar opnå mere detaljerede målinformation.
Fordele: Sammenlignet med traditionelle mikrobølgeradarer har midt-infrarøde laserradarer højere opløsning og nøjagtighed, kan bedre identificere og klassificere mål og have vigtige applikationsmuligheder i forsvarsrekognoscering, autonom kørsel og andre felter.
③ Fjerndetektion af eksplosiver
Princip: Mange eksplosiver (såsom dynamit, lægemidler osv.) Har karakteristiske spektre i det midterste infrarøde bånd. Brug midt-infrarøde pulsfiberlasere til at belyse langdistancemål, indsamle spektrale signaler reflekteret af målene og bestemme, om der findes sprængstoffer ved at analysere spektrale egenskaber. I sikkerhedsinspektionssteder som lufthavne og porte kan for eksempel midt-infrarød laser-fjerndetekteringsudstyr bruges til at inspicere personale og bagage.
Fordele: Denne fjerndetekteringsmetode har fordelene ved ikke-kontakt, hurtig og nøjagtig. Det kan rettidigt opdage potentielle sikkerhedsfarer uden at påvirke normale operationer og sikre offentlig sikkerhed og social sikkerhed.
5. Videnskabelig forskning
① Ultrahurtig spektroskopi
Princip: UltraFAST -spektroskopi undersøgte ændringerne i de spektrale egenskaber for stoffer på en ekstremt kort tid (femtosekund, picosekundniveau). Midt-infrarøde pulserede fiberlasere kan producere ekstremt korte pulserede lasere, som kan bruges til at begejstre prøver og detektere deres ultrahastede spektrale responser. For eksempel pumpes prøven gennem pumpesonde-teknologien med en midtinfrarød laser for at producere en ophidset tilstand, og derefter bruges en anden laserstråle til at detektere spektrale ændringer af prøven i forskellige forsinkelsestider for at undersøge de ultrahastede processer, såsom elektronisk tilstand og gittervibration af stoffet.
Fordele: Det giver en stærk forskningsmetode for felter som kemi, fysik og materialevidenskab, som hjælper med at dybt forstå den interne struktur og dynamiske stoffer med stoffer.
② Koldmolekyle manipulation
Princip: Interaktionen mellem midtinfrarøde lasere og molekyler kan bruges til at fange, bevæge og manipulere kolde molekyler. Ved nøjagtigt at justere frekvens, intensitet og fase af laseren kan der dannes en specifik optisk potentialebrønd til fængsel kolde molekyler og realisere bevægelseskontrollen af ​​molekyler. For eksempel inden for kvanteberegning og behandling af kvanteinformation kan midtinfrarøde lasere bruges til at manipulere kvantetilstanden for kolde molekyler for at opnå driften af ​​kvantebits.
Fordele: Det giver en ny eksperimentel platform for forskning inden for kvantefysik, kemisk fysik og andre felter og forventes at foretage vigtige gennembrud i kvanteberegning, kvantesimulering og andre aspekter.
③ Generering af attosekund impulser
Princip: Gennem ikke-lineære optiske processer, såsom højordens harmonisk generation (HHG), kan midt-infrarøde pulserede fiberlasere generere ultrashort-pulser på attosekundniveauet (10⁻¹⁸ sekunder). Når midt-infrarøde lasere interagerer med atomer eller molekyler, genereres højordens harmonik. Frekvenserne af disse harmonik er i det ekstreme ultraviolette (XUV) bånd, og deres pulsbredder kan nå attosekundniveauet.
Fordele: Det giver ekstremt høje tidsopløsning til undersøgelse af ultrahastiske processer såsom nuklear bevægelse og elektrondynamik, som hjælper med yderligere at afsløre mysterierne i den mikroskopiske verden af ​​stof.

Sammenfattende har midt-infrarøde pulserede fiberlasere vist brede anvendelsesudsigter og et stort potentiale inden for medicinske og biologiske billeddannelse, miljømæssig overvågning og gasfølelse, industriel behandling, national forsvar og sikkerhed og videnskabelig forskning. Med den kontinuerlige udvikling og forbedring af teknologi antages det, at midt-infrarøde pulserede fiberlasere vil spille en vigtig rolle inden for flere områder og bringe mere velfærd og fremskridt til det menneskelige samfund.

Kontaktoplysninger:

Hvis du har nogen ideer, er du velkommen til at tale med os. Uanset hvor vores kunder er, og hvad vores krav er, vil vi følge vores mål om at give vores kunder høj kvalitet, lave priser og den bedste service.