แผนการเลือกเลเซอร์ที่ปรับได้แบบอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง

บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อหารือเกี่ยวกับข้อควรพิจารณาและข้อเสนอแนะของโปรแกรมเมื่อเลือกแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง บทความนี้จะแนะนำและเปรียบเทียบออสซิลเลเตอร์แบบออปติคัลพาราเมตริก (OPO) หลักๆ สี่ประเภทหลักๆ เป็นหลัก เครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริกแบบออปติคัล (OPA) เลเซอร์ควอนตัมคาสเคด และแหล่งกำเนิดแสงต่อเนื่องยิ่งยวด

1. คำจำกัดความช่วงสเปกตรัมที่แตกต่างกัน

โดยทั่วไปแล้ว เมื่อผู้คนพูดถึงแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด พวกเขาหมายถึงแสงที่มีความยาวคลื่นสุญญากาศมากกว่า ~700–800 นาโนเมตร (ขีดจำกัดด้านบนของช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้)

ขีดจำกัดล่างของความยาวคลื่นจำเพาะไม่ได้กำหนดไว้อย่างชัดเจนในคำอธิบายนี้ เนื่องจากการรับรู้อินฟราเรดของสายตามนุษย์จะค่อยๆ ลดลงแทนที่จะตัดไปที่หน้าผา

เช่น การตอบสนองของแสงที่ 700 นาโนเมตรต่อดวงตามนุษย์นั้นต่ำมากอยู่แล้ว แต่ถ้าแสงแรงพอ ดวงตาของมนุษย์ก็สามารถมองเห็นแสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ไดโอดบางตัวที่มีความยาวคลื่นเกิน 750 นาโนเมตร ซึ่งทำให้อินฟราเรดได้เช่นกัน เลเซอร์มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย --แม้ว่าดวงตาของมนุษย์จะไม่สว่างนัก แต่พลังที่แท้จริงของมันก็อาจสูงมาก

ในทำนองเดียวกัน เช่นเดียวกับช่วงขีดจำกัดล่างของแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด (700~800 นาโนเมตร) ช่วงการกำหนดขีดจำกัดด้านบนของแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดก็ไม่แน่นอนเช่นกัน โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1 มม.

ต่อไปนี้เป็นคำจำกัดความทั่วไปของแถบอินฟราเรด:

——บริเวณสเปกตรัมใกล้อินฟราเรด (หรือที่เรียกว่า IR-A) อยู่ในช่วง ~750-1400 นาโนเมตร
เลเซอร์ที่ปล่อยออกมาในบริเวณความยาวคลื่นนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาทางเสียงและความปลอดภัยของดวงตา เนื่องจากฟังก์ชันการโฟกัสด้วยดวงตาของมนุษย์นั้นเข้ากันได้กับช่วงแสงอินฟราเรดใกล้และช่วงแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้นแหล่งกำเนิดแสงแถบอินฟราเรดใกล้จึงสามารถส่งและโฟกัสไปที่ จอประสาทตาที่ไวต่อแสงในลักษณะเดียวกัน แต่แสงแถบอินฟราเรดใกล้จะไม่กระตุ้นการสะท้อนการกะพริบตาแบบป้องกัน ส่งผลให้เรตินาของดวงตามนุษย์ได้รับความเสียหายจากพลังงานที่มากเกินไปเนื่องจากความไม่รู้สึกตัว ดังนั้นเมื่อใช้แหล่งกำเนิดแสงในกลุ่มนี้ จะต้องให้ความใส่ใจอย่างเต็มที่กับการปกป้องดวงตา

——อินฟราเรดความยาวคลื่นสั้น (SWIR, IR-B) มีตั้งแต่ 1.4-3 μm
บริเวณนี้ค่อนข้างปลอดภัยสำหรับดวงตาเพราะแสงนี้ถูกดวงตาดูดกลืนก่อนที่จะถึงเรตินา ตัวอย่างเช่น เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียมที่ใช้ในการสื่อสารใยแก้วนำแสงทำงานในภูมิภาคนี้
——ช่วงอินฟราเรดคลื่นกลาง (MWIR) คือ 3-8 μm
บรรยากาศมีการดูดซึมอย่างรุนแรงในบางส่วนของภูมิภาค ก๊าซในชั้นบรรยากาศหลายชนิดจะมีเส้นดูดซับในย่านนี้ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไอน้ำ (H2O) นอกจากนี้ เนื่องจากก๊าซหลายชนิดมีการดูดกลืนแสงสูงในแถบนี้ ลักษณะการดูดกลืนแสงที่แข็งแกร่ง ทำให้บริเวณสเปกตรัมนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจจับก๊าซในบรรยากาศ

——ช่วงอินฟราเรดคลื่นยาว (LWIR) คือ 8-15 μm
——ถัดไปคือฟาร์อินฟราเรด (FIR) ซึ่งมีช่วงตั้งแต่ 15 μm-1 มม. (แต่ยังมีคำจำกัดความที่เริ่มต้นที่ 50 μm ดู ISO 20473) บริเวณสเปกตรัมนี้ใช้สำหรับการถ่ายภาพความร้อนเป็นหลัก
บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อหารือเกี่ยวกับการเลือกเลเซอร์ความยาวคลื่นที่ปรับได้บรอดแบนด์ที่มีแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง ซึ่งอาจรวมถึงอินฟราเรดความยาวคลื่นสั้นข้างต้น (SWIR, IR-B, ตั้งแต่ 1.4-3 μm) และส่วนหนึ่งของอินฟราเรดคลื่นกลาง (MWIR มีค่าตั้งแต่ 3-8 μm)

2. การสมัครทั่วไป

การใช้งานแหล่งกำเนิดแสงในย่านความถี่นี้โดยทั่วไปคือการระบุสเปกตรัมการดูดกลืนแสงเลเซอร์ในก๊าซติดตาม (เช่น การสำรวจระยะไกลในการวินิจฉัยทางการแพทย์และการตรวจสอบสภาพแวดล้อม) ในที่นี้ การวิเคราะห์ใช้ประโยชน์จากแถบการดูดกลืนแสงที่แข็งแกร่งและมีลักษณะเฉพาะของโมเลกุลจำนวนมากในบริเวณสเปกตรัมอินฟราเรดตอนกลาง ซึ่งทำหน้าที่เป็น "ลายนิ้วมือระดับโมเลกุล" แม้ว่าเราจะสามารถศึกษาโมเลกุลเหล่านี้บางส่วนผ่านเส้นการดูดกลืนแสงแบบแพนในบริเวณใกล้อินฟราเรดได้ เนื่องจากแหล่งเลเซอร์อินฟราเรดใกล้เตรียมได้ง่ายกว่า การใช้เส้นดูดกลืนแสงพื้นฐานที่แข็งแกร่งในบริเวณอินฟราเรดกลางที่มีความไวสูงกว่าก็มีข้อดี .

ในการถ่ายภาพอินฟราเรดช่วงกลาง จะใช้แหล่งกำเนิดแสงในย่านความถี่นี้ด้วย ผู้คนมักจะใช้ประโยชน์จากความจริงที่ว่าแสงอินฟราเรดช่วงกลางสามารถทะลุเข้าไปในวัสดุได้ลึกกว่าและมีการกระเจิงน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น ในแอปพลิเคชันการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมที่สอดคล้องกัน อินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางสามารถให้ข้อมูลสเปกตรัมสำหรับแต่ละพิกเซล (หรือว็อกเซล)

เนื่องจากการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดเลเซอร์อินฟราเรดระดับกลาง เช่น เลเซอร์ไฟเบอร์ การใช้งานการประมวลผลวัสดุเลเซอร์ที่ไม่ใช่โลหะจึงเริ่มใช้งานได้จริงมากขึ้นเรื่อยๆ โดยทั่วไปแล้ว ผู้คนใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนแสงอินฟราเรดที่รุนแรงด้วยวัสดุบางชนิด เช่น ฟิล์มโพลีเมอร์ เพื่อคัดแยกวัสดุออก

กรณีทั่วไปคือฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งใสของอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ที่ใช้สำหรับอิเล็กโทรดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องมีโครงสร้างโดยการจี้ทำลายด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร อีกตัวอย่างหนึ่งคือการลอกชั้นเคลือบบนเส้นใยแก้วนำแสงอย่างแม่นยำ ระดับพลังงานที่ต้องการในย่านความถี่นี้สำหรับการใช้งานดังกล่าวโดยทั่วไปจะต่ำกว่าระดับพลังงานที่จำเป็นสำหรับการใช้งาน เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ มาก

กองทัพยังใช้แหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางเพื่อตอบโต้ขีปนาวุธตรวจจับความร้อนด้วยอินฟราเรดแบบกำหนดทิศทาง นอกจากกำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้นซึ่งเหมาะสำหรับกล้องอินฟราเรดที่มองไม่เห็นแล้ว ยังจำเป็นต้องมีการครอบคลุมสเปกตรัมกว้างภายในแถบการส่งผ่านบรรยากาศ (ประมาณ 3-4 μm และ 8-13 μm) อีกด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวกรองที่มีรอยบากแบบธรรมดาปกป้องเครื่องตรวจจับอินฟราเรด

หน้าต่างส่งสัญญาณบรรยากาศที่อธิบายไว้ข้างต้นยังสามารถใช้สำหรับการสื่อสารด้วยแสงในพื้นที่ว่างผ่านลำแสงทิศทาง และเลเซอร์ควอนตัมคาสเคดถูกนำมาใช้ในการใช้งานหลายอย่างเพื่อจุดประสงค์นี้

ในบางกรณี จำเป็นต้องใช้พัลส์ระยะสั้นเกินขีดกลางอินฟราเรด ตัวอย่างเช่น เราสามารถใช้หวีความถี่อินฟราเรดกลางในเลเซอร์สเปกโทรสโกปี หรือใช้ประโยชน์จากความเข้มสูงสุดที่สูงของพัลส์ที่สั้นเกินขีดสำหรับการเลเซอร์ ซึ่งสามารถสร้างได้ด้วยเลเซอร์ที่ล็อคโหมด

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง แอปพลิเคชันบางตัวมีข้อกำหนดพิเศษสำหรับการสแกนความยาวคลื่นหรือความสามารถในการปรับความยาวคลื่น และเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้อินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางก็มีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชันเหล่านี้เช่นกัน

ตัวอย่างเช่น ในสเปกโทรสโกปี เลเซอร์ที่ปรับค่าได้อินฟราเรดกลางเป็นเครื่องมือสำคัญ ไม่ว่าจะในการตรวจจับก๊าซ การตรวจสอบสภาพแวดล้อม หรือการวิเคราะห์ทางเคมี นักวิทยาศาสตร์ปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์เพื่อวางตำแหน่งเลเซอร์ในช่วงอินฟราเรดกลางอย่างแม่นยำ เพื่อตรวจจับเส้นการดูดกลืนแสงของโมเลกุลโดยเฉพาะ ด้วยวิธีนี้ พวกเขาสามารถรับข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบและคุณสมบัติของสสาร เช่น การถอดรหัสสมุดรหัสที่เต็มไปด้วยความลับ

ในด้านการถ่ายภาพทางการแพทย์ เลเซอร์แบบปรับแสงอินฟราเรดกลางก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการวินิจฉัยและการถ่ายภาพแบบไม่รุกราน ด้วยการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์อย่างแม่นยำ แสงอินฟราเรดช่วงกลางจึงสามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่อชีวภาพได้ ส่งผลให้ได้ภาพที่มีความละเอียดสูง นี่เป็นสิ่งสำคัญในการตรวจจับและวินิจฉัยโรคและความผิดปกติ เช่น แสงวิเศษที่ส่องเข้าไปในความลับภายในของร่างกายมนุษย์

ในด้านการป้องกันและความปลอดภัยยังแยกออกจากการใช้เลเซอร์ที่ปรับค่าได้ช่วงอินฟราเรดกลางอีกด้วย เลเซอร์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในมาตรการตอบโต้ด้วยอินฟราเรด โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับขีปนาวุธที่แสวงหาความร้อน ตัวอย่างเช่น ระบบตอบโต้ด้วยอินฟราเรดทิศทาง (DIRCM) สามารถป้องกันเครื่องบินจากการถูกติดตามและโจมตีด้วยขีปนาวุธ ด้วยการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์อย่างรวดเร็ว ระบบเหล่านี้สามารถรบกวนระบบนำทางของขีปนาวุธที่เข้ามาและพลิกกระแสการต่อสู้ในทันทีราวกับดาบวิเศษปกป้องท้องฟ้า

เทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลเป็นวิธีการสำคัญในการสังเกตและติดตามโลก ซึ่งเลเซอร์อินฟราเรดที่ปรับได้มีบทบาทสำคัญ ในด้านต่างๆ เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การวิจัยบรรยากาศ และการสังเกตโลก ล้วนแต่อาศัยการใช้เลเซอร์เหล่านี้ เลเซอร์ที่ปรับค่าได้ในช่วงกลางอินฟราเรดช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดเส้นการดูดซับเฉพาะของก๊าซในชั้นบรรยากาศ โดยให้ข้อมูลอันมีค่าเพื่อช่วยในการวิจัยสภาพภูมิอากาศ การติดตามมลพิษ และการพยากรณ์อากาศ เช่น กระจกวิเศษที่สามารถมองเห็นความลึกลับของธรรมชาติ

ในการตั้งค่าทางอุตสาหกรรม เลเซอร์แบบปรับได้อินฟราเรดกลางถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลวัสดุที่มีความแม่นยำ ด้วยการปรับเลเซอร์ให้มีความยาวคลื่นที่ถูกดูดซับอย่างรุนแรงโดยวัสดุบางชนิด เลเซอร์เหล่านี้จึงสามารถเลือกการระเหย การตัด หรือการเชื่อมได้ ช่วยให้สามารถผลิตได้อย่างแม่นยำในด้านต่างๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์ และไมโครแมชชีนนิ่ง เลเซอร์ที่ปรับแสงอินฟราเรดได้ระดับกลางเปรียบเสมือนมีดแกะสลักขัดเงาอย่างประณีต ช่วยให้อุตสาหกรรมสามารถแกะสลักผลิตภัณฑ์ที่แกะสลักอย่างประณีต และแสดงให้เห็นถึงความฉลาดของเทคโนโลยี

3. ประเภทผลิตภัณฑ์เลเซอร์แบบปรับได้ใกล้อินฟราเรดถึงกลางอินฟราเรดและลักษณะการเลือก

เทคโนโลยีจำนวนมากสามารถผลิตเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางได้ เช่น เลเซอร์เกลือตะกั่วประเภทต่างๆ โดยอาศัยสารประกอบตะกั่วแบบไตรภาคในระยะต้นหรือสารประกอบควอเทอร์นารี เช่นเดียวกับเลเซอร์จำนวนมากที่เป็นฉนวนเจือทั่วไป เลเซอร์ไฟเบอร์ชนิดต่างๆ และเลเซอร์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เดี๋ยวก่อน เรามุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์หลักการเลเซอร์หลายชนิดที่สามารถปรับความยาวคลื่นได้หลากหลายตั้งแต่อินฟราเรดใกล้ไปจนถึงอินฟราเรดกลาง

1ออสซิลเลเตอร์แบบออปติคอล แอมพลิฟายเออร์ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (OPO และ OPA)

ในระบบการแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้น สามารถใช้เลเซอร์อินฟราเรดใกล้ เครื่องออสซิลเลเตอร์พารามิเตอร์แสงแบบปั๊ม (OPO) เครื่องขยายสัญญาณ (OPA) หรือเครื่องกำเนิด (OPG) เพื่อสร้างแสงไอเดลอร์ในบริเวณสเปกตรัมอินฟราเรดกลาง เช่น:
ในเลเซอร์อินฟราเรดกลางอินฟราเรด OPO ระดับนาโนวินาที เลเซอร์สวิตช์ Q สามารถใช้เป็นแหล่งปั๊มได้ วัสดุผลึกทั่วไปที่ใช้สำหรับการใช้งานดังกล่าว ได้แก่ ซิงค์เจอร์เมเนียมฟอสไฟด์ (ZGP, ZnGeP2), ซิลเวอร์แกลเลียมซัลไฟด์และเซเลไนด์ (AgGaS2, AgGaSe2), แกลเลียมซีลีไนด์ (GaSe) และแคดเมียมซีลีไนด์ (CdSe)
เนื่องจากวัสดุเหล่านี้จำนวนมากมีความทึบแสงในบริเวณ 1 μm จึงมักจำเป็นต้องใช้ OPO ตามลำดับ โดย OPO แรกจะแปลงการแผ่รังสีเลเซอร์ 1 μm ให้เป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ซึ่งจากนั้นจะใช้ในการปั๊ม OPO อินฟราเรดกลางจริง สัญญาณและความถี่ว่างของสัญญาณหลังสามารถอยู่ในย่านสเปกตรัมอินฟราเรดกลางได้
นอกจากนี้ เลเซอร์ Nd:YVO4 แบบล็อคโหมด 1,064 นาโนเมตรยังสามารถใช้ในการปั๊มคริสตัล OPO และ LiNbO3 แบบซิงโครนัสได้ ช่วยให้แสงที่ปล่อยออกมาจาก Idler สูงถึง 4 μm หรือแม้แต่ 4.5 μm ข้อจำกัดด้านความยาวคลื่นส่วนใหญ่เหนือกว่าการเพิ่มการดูดกลืนแสงของคนขี้เกียจที่ความยาวคลื่นยาวเป็นหลัก ดังนั้น OPO ที่ใช้หลักการนี้มักจะมีสัญญาณเรโซแนนซ์ อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถสร้างพัลส์ด้วยพลังงานหลายสิบมิลลิจูลได้อย่างง่ายดาย ความยาวคลื่นเอาท์พุตสามารถปรับได้หลายร้อยนาโนเมตร

②ควอโป

เมื่อเปรียบเทียบกับการกระตุ้นชีพจรของ OPO ทั่วไป ผลิตภัณฑ์เทคโนโลยี CWOPO ล่าสุดให้เลเซอร์อินฟราเรดกลางตามกรอบงานต่อไปนี้:

1) เลเซอร์ไฟเบอร์ DFB และแอมพลิฟายเออร์

2) การควบคุมด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ DFB;

3) ส่วนแสงและการควบคุม OPO;
ผลิตภัณฑ์ประเภทนี้สามารถให้ความยาวคลื่นเอาท์พุตที่ปรับได้อย่างต่อเนื่องในช่วงอินฟราเรดกลางที่ 1435-4138 นาโนเมตร (6969-2416 ซม.-1) ในเวลาเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับ Pulse OPO ผลิตภัณฑ์ประเภทนี้สามารถให้ความกว้างของเส้นที่ดีเยี่ยม (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

3.เลเซอร์ควอนตัมคาสเคด

เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดเป็นทิศทางการพัฒนาที่ค่อนข้างใหม่ในด้านเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

ความแตกต่างระหว่างเลเซอร์ควอนตัมคาสเคดและเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อินฟราเรดช่วงกลางช่วงต้นที่อิงตามการเปลี่ยนระหว่างแถบความถี่คือ ทำงานตามการเปลี่ยนระหว่างแถบย่อยระหว่างแถบความถี่

ซึ่งช่วยให้เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดสามารถออกแบบรายละเอียดของโครงสร้างชั้นเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้พลังงานโฟตอนทรานซิชัน (และความยาวคลื่น) สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้าง นอกจากนี้ ช่วงการปรับความยาวคลื่นที่สำคัญบางช่วง (บางครั้งเกิน 10% ของความยาวคลื่นกลาง) ยังสามารถครอบคลุมผ่านอุปกรณ์ช่องภายนอกได้อีกด้วย

แม้ว่าในปัจจุบันจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนด้วยความเย็นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด แต่เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดจำนวนมากยังคงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องแม้จะทำงานอย่างต่อเนื่องก็ตาม เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดยังสามารถใช้เพื่อสร้างเลเซอร์พัลส์ที่มีเวลาพัลส์ต่ำกว่า 1 ns แม้ว่ากำลังสูงสุดจะค่อนข้างจำกัดก็ตาม

ในแง่ของกำลัง แม้ว่ากำลังเอาท์พุตจะสูงถึง 1 W ผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพ แต่กำลังเอาท์พุตของเลเซอร์ประเภทนี้ยังคงต่ำกว่าเลเซอร์อินฟราเรดทั่วไป เนื่องจากในสาขาเลเซอร์ควอนตัมคาสเคด ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในสเปกโทรสโกปี เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดจึงถูกจำกัดอยู่ที่การเปลี่ยนผ่านด้วยพลังงานโฟนอนที่ต่ำกว่า

ต่อไปนี้เป็นพารามิเตอร์และประเภททั่วไปบางส่วน:
หลอดเลเซอร์ CW-DFB 800 ซม.-1-2320 ซม.-1
หลอดเลเซอร์ DFB แบบพัลซ์ 700 ซม.-1-2350 ซม.-1
หลอดเลเซอร์ DFB แช่เย็น 645 ซม.-1-2370 ซม.-1

OPO (ออปติคอลพาราเมตริกออสซิลเลเตอร์) และควอนตัมคาสเคดเป็นเทคโนโลยีสองชนิดที่ใช้กันทั่วไปในการสร้างเลเซอร์อินฟราเรดกลาง และทั้งสองอย่างนี้มีความแตกต่างในการใช้งานที่สำคัญบางประการ

OPO (ออสซิลเลเตอร์แบบออปติคัลพาราเมตริก, ออสซิลเลเตอร์แบบออปติคอลพาราเมตริก):

OPO เป็นอุปกรณ์เชิงแสงแบบไม่เชิงเส้นที่ใช้กระบวนการแบบพาราเมตริกในผลึกแสงแบบไม่เชิงเส้นหรือเส้นใยนำแสงเพื่อสร้างความยาวคลื่นใหม่ รวมถึงแถบอินฟราเรดระดับกลาง OPO กระตุ้นการแกว่งแบบพาราเมตริกผ่านแหล่งกำเนิดแสงของปั๊ม โดยที่วัสดุที่ไม่เป็นเชิงเส้นในออสซิลเลเตอร์จะแยกไฟของปั๊มออกเป็นไฟสัญญาณและไฟเสริม ความยาวคลื่นของสัญญาณสามารถปรับได้ในช่วงอินฟราเรดกลาง ในขณะที่แสงเสริมจะทำหน้าที่เป็นปฏิกิริยาสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดแสงของปั๊ม OPO มีประสิทธิภาพการแปลงสูงและช่วงการปรับความถี่ที่กว้าง ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิจัยและการประยุกต์ใช้เลเซอร์อินฟราเรดกลาง

ข้อแตกต่างในการใช้งาน: OPO เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการปรับความถี่ ด้วยการปรับความถี่ของไฟปั๊มหรือเงื่อนไขการจับคู่เฟสของคริสตัลไม่เชิงเส้น ทำให้สามารถเอาต์พุตเลเซอร์ที่ปรับแต่งได้อย่างต่อเนื่องในช่วงอินฟราเรดกลาง OPO สามารถใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัม การตรวจจับก๊าซ การถ่ายภาพทางชีวการแพทย์ และสาขาอื่นๆ และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการการวิเคราะห์ความไวสูงหรือการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ในแถบอินฟราเรดกลาง

น้ำตกควอนตัม:

เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดเป็นเลเซอร์ที่ใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซเซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงเลเซอร์อินฟราเรดระดับกลางผ่านกระบวนการควอนตัมคาสเคด ในเลเซอร์ควอนตัมคาสเคด อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานผ่านกระบวนการเปลี่ยนผ่านทีละขั้นตอนระหว่างแถบพลังงานหลายแถบ ทำให้เกิดรังสีอินฟราเรดช่วงกลางที่ปรับค่าได้อย่างต่อเนื่อง

ความแตกต่างในการใช้งาน: เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดมีกำลังสูงกว่าและมีเส้นสเปกตรัมที่แคบกว่า และเหมาะสำหรับการวัดสเปกตรัมความละเอียดสูง ไลดาร์ การถ่ายภาพอินฟราเรด และสาขาอื่นๆ เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดยังสามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องใช้เลเซอร์อินฟราเรดกลางภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น การตรวจสอบทางอุตสาหกรรม การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม ฯลฯ

โดยสรุป OPO ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่มีความสามารถในการปรับแต่งความถี่สูง ในขณะที่เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดเหมาะสำหรับกำลังสูง ความกว้างของเส้นแคบ และอุณหภูมิสูง

การเปรียบเทียบความแตกต่างของค่าพารามิเตอร์โดยเฉพาะจะแตกต่างกันไปตามรุ่นผลิตภัณฑ์และผู้ผลิต ต่อไปนี้คือตัวอย่างการเปรียบเทียบพารามิเตอร์ทั่วไปบางประการ:

—— การปรับความถี่:

OPO: เอาต์พุตเลเซอร์อินฟราเรดกลางที่ปรับแต่งได้อย่างต่อเนื่องสามารถทำได้ โดยมีช่วงความถี่ตั้งแต่หลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ไปจนถึงหลายกิกะเฮิรตซ์หรือกว้างกว่านั้น

ควอนตัมคาสเคด: ช่วงการปรับความถี่ค่อนข้างแคบ โดยทั่วไปคือสิบถึงหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์หรือแคบกว่านั้น

—— กำลังขับและประสิทธิภาพ:

OPO: โดยทั่วไปกำลังขับจะอยู่ในช่วงหลายร้อยมิลลิวัตต์ถึงหลายวัตต์ และประสิทธิภาพการแปลงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 10%

น้ำตกควอนตัม: กำลังขับมักจะอยู่ในช่วงสิบถึงหลายร้อยมิลลิวัตต์ และประสิทธิภาพการแปลงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 20%

—— ความกว้างของเส้นสเปกตรัม:

OPO: เส้นสเปกตรัมแคบ โดยปกติจะอยู่ในช่วงหลายกิกะเฮิรตซ์ถึงหลายสิบเมกะเฮิรตซ์

น้ำตกควอนตัม: เส้นสเปกตรัมค่อนข้างกว้าง โดยปกติจะอยู่ในช่วงหลายสิบกิกะเฮิรตซ์ถึงหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์

--อุณหภูมิในการทำงาน:

OPO: โดยปกติจะต้องทำงานที่อุณหภูมิห้องที่เสถียรกว่าหรือใกล้กับอุณหภูมิห้อง

Quantum Cascade: สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิการทำงานสูงกว่า ซึ่งมักจะสูงกว่าอุณหภูมิห้อง แม้จะสูงถึงหลายสิบองศาเซลเซียสก็ตาม

ควรสังเกตว่าค่าเหล่านี้ใช้สำหรับการอ้างอิงทั่วไปเท่านั้น และไม่ได้แสดงถึงพารามิเตอร์เฉพาะของผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ทั้งหมด พารามิเตอร์ที่แท้จริงขึ้นอยู่กับรุ่นของผลิตภัณฑ์ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี และข้อกำหนดด้านการออกแบบและประสิทธิภาพของผู้ผลิต เมื่อเลือกผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่เฉพาะเจาะจง วิธีที่ดีที่สุดคือดูเอกสารข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์และเอกสารทางเทคนิคที่ผู้ผลิตจัดทำไว้เพื่อดูข้อมูลพารามิเตอร์ที่ถูกต้อง

④แหล่งกำเนิดแสงที่ต่อเนื่องเป็นพิเศษ

มีแหล่งกำเนิดแสงบางแหล่งที่อาศัยการสร้างความต่อเนื่องยิ่งยวดซึ่งครอบคลุมแถบอินฟราเรดกลางเป็นส่วนใหญ่ แหล่งกำเนิดแสงดังกล่าวสามารถทำงานได้โดยอิงจากเส้นใยแสงอินฟราเรดช่วงกลางบางเส้น ซึ่งส่งพัลส์แสงเข้มข้นเพื่อสร้างปฏิกิริยาโต้ตอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่รุนแรง

หากจำเป็นต้องใช้แสงที่มีความกว้างเป็นแนวแคบแบบปรับได้ ก็สามารถใช้ตัวกรองแบบปรับได้เพื่อแยกส่วนประกอบสเปกตรัมที่ต้องการออกจากแสงสเปกตรัมกว้าง ในบางกรณี คลื่นความถี่ทั้งหมดจะถูกนำมาใช้ ตัวอย่างหนึ่งคือการตรวจเอกซเรย์การเชื่อมโยงกันด้วยแสง (OCT) กระบวนการนี้มักดำเนินการที่แถบความยาวคลื่นสั้นกว่า อย่างไรก็ตาม ข้อดีของแสงอินฟราเรดช่วงกลางในการใช้งานนี้คือแสงอินฟราเรดช่วงกลางจะกระเจิงน้อยกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับแถบความยาวคลื่นที่สั้นกว่า แต่ก็มีความสามารถในการเจาะลึกได้

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) มีแบนด์วิธที่กว้างกว่า การเชื่อมโยงเชิงพื้นที่ ทิศทาง และความสว่างสูงกว่าเลเซอร์แบบเดิม

⑤แหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดกลางไมโคร

ปัจจุบันมีความพยายามมากมายในการพัฒนาวงจรรวมโฟโตนิกสำหรับการใช้งานช่วงอินฟราเรดระดับกลาง เช่น วงจรที่ใช้แพลตฟอร์มซิลิคอนโฟโตนิกส์ น่าเสียดายที่การนำแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดช่วงกลางไปใช้กับชิปไม่ใช่เรื่องง่าย ซึ่งนำไปสู่การค้นคว้าเกี่ยวกับวิธีการที่เป็นไปได้หลายวิธี ตัวอย่างหนึ่งคือการบูรณาการแหล่งกำเนิดแสงเข้ากับเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ และแม้ว่าจะทำให้เกิดปัญหาทางเทคนิค แต่ก็มีตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีพันธะฟลิปชิปด้วย ความเป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งคือการรวมตัวปล่อยวัตถุดำ (→ การแผ่รังสีความร้อน) หรือวัสดุเรืองแสง แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่ส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีที่สอดคล้องกันเชิงพื้นที่ก็ตาม

มีวิธีการอื่นๆ ที่ใช้การแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้น โดยใช้ความไม่เชิงเส้นของ Kerr สำหรับการผสมคลื่นสี่คลื่นหรือการกระเจิงของรามันแบบกระตุ้น และการใช้ไมโครเรโซเนเตอร์ ก็สามารถสร้างหวีความถี่ได้เช่นกัน

นอกจาก

ต่อไปนี้คือแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดช่วงกลางบางส่วนที่มีการใช้งานไม่บ่อยนัก เนื่องจากไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลาย จึงไม่มีการกล่าวถึงรายละเอียดมากเกินไปในที่นี้ เช่น เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ และเลเซอร์ CO₂ ที่มีความถี่เป็นสองเท่า

จากข้อมูลข้างต้น ข้อมูลต่อไปนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการเปรียบเทียบและการเลือกเลเซอร์ประเภทต่างๆ: