Keskmise infrapuna impulss-kiu laserite rakendused

Kesk-infrapunaline laserviitab elektromagnetilistele lainetele, mille lainepikkus on 3 μm ~ 1000 μm; Lasertehnoloogia valdkonnas määratletakse keskmise infrapuna üldiselt kui 2μm ~ 5 μm riba. Keskmise infrapuna laseril on ainulaadsed lainepikkuse vahemikud ja molekulaarsed neeldumisomadused ning need sobivad mitmesuguste rakendusstsenaariumide jaoks; Kuigi impulss -kiu laserid on näidanud laialdast rakenduspotentsiaali tööstusliku töötlemise ja muude põldude korral, mille eelised, näiteks kõrge tala kvaliteet, hea stabiilsus ja kompaktne struktuur.

Keskmise infrapuna riba sisaldab kahte peamist atmosfääri ülekandeaknat (3 ~ 5 μm ja 8 ~ 12 μm piirkonda). Nendes ribades on põhikomponentide imendumine atmosfääris väga madal, nii et saab saavutada pikamaaülekande, mis sobib kaugseire, tuvastamiseks ja muudeks väljadeks.
Keskmise infrapuna riba asub enamiku molekulide põhilises vibratsiooni resonantspiirkonnas ning paljudel vedelikel, gaasil ja mittemetallilistel materjalidel imenduvad keskmise infrapunavalguse tugevalt. See funktsioon muudab keskmise infrapuna laserite jaoks olulised rakendused spektrianalüüsi, keskkonnaseire, meditsiinilise diagnoosimise ja muude väljade alal.

Keskmise infrapuna-impulss-kiu laserite põhitehnoloogiad
1. Saage keskmise valiku
① haruldased muldmetallid kiudained:
Er³⁺ (erbiumi ioon): tavaliselt kasutatakse laserväljundi saavutamiseks riba 2,7 ~ 2,8 μm, mis sobib meditsiiniliseks, atmosfääri kaugseireks ja muudeks väljadeks. Selle energiataseme struktuur võimaldab tal genereerida keskmise infrapuna lasereid konkreetsetes pumpamistingimustes.
Ho³⁺ (HOLMIUM ION): võib tekitada lasereid 2. 0 ~ 2,1 μm ribaga, mida legeeritakse sageli teiste ioonidega (näiteks legeeritud PR³⁺-ga), et laser jõudlust optimeerida. See riba on atmosfääri ülekandeaknas, inimeste silmade jaoks ohutu ja sellel on rakenduse väärtus laserradaris ja muudes väljades.
TM³⁺ (Thulium ioon): võib tekitada lasereid riba 2,3 μm, mis on teatud spetsiifilise spektraal analüüsi ja rakenduste jaoks tähenduslik.
② Mittelineaarne sageduse muundamine:
OPO (optiline parameetriline ostsillaator): mittelineaarsete kristallide parameetrilise amplifikatsiooniprotsessi põhjal muundatakse pumba valguse energia signaalivalgustuseks ja tühikäiguks. Valides sobivad mittelineaarsed kristallid ja ostsillaatori kujundused, võib saada laserväljundi keskmise infrapuna riba ja häälestamine on võimalik saavutada laiemas lainepikkuse vahemikus.
DFG (stimuleeritud Ramani hajumine): Ramani hajumise efekti abil genereeritakse keskmise infrapuna laserid. Pumba valguse parameetrite ja Ramani söötme omaduste reguleerimisega on võimalik saavutada erinevate lainepikkuste keskmise infrapuna laserväljundid, kuid tavaliselt on vaja suuremat pumba võimsust.
2. impulsi genereerimise mehhanism
① Q-vahetamise tehnoloogia:
Aktiivne Q-vahetamine: laseri kadumist või pumba võimsust kontrollib välise modulatsioonisignaaliga, nii et laserõõnsuse footoni tihedus muutub perioodiliselt, tekitades sellega impulsslasseri väljundi. Näiteks moduleeritakse laserit, kasutades impulsside genereerimiseks selliseid komponente nagu akusto-optiline modulaator või elektrooptiline modulaator. See meetod suudab täpselt juhtida pulsi kordumissagedust ja impulsi laiust, kuid nõuab täiendavaid modulatsiooniseadmeid, mis suurendab süsteemi keerukust.
Passiivne Q-vahetamine: laserõõnes footoni tiheduse moduleerimiseks kasutatakse passiivsete komponentide, näiteks küllastunud neeldurite mittelineaarseid neeldumisomadusi. Kui footoni tihedus jõuab teatud läveni, muutub küllastunud absorbeerija absorptsioonikoefitsient, muutes seeläbi laseriõõne kadu ja genereerides impulss -lasereid. Passiivsel Q-lülitumisel on lihtne struktuur ja odav, kuid pulsi kordussageduse ja impulsi laiust on suhteliselt keeruline kontrollida.
② Režiimi lukustamise tehnoloogia:
Materjali küllastunud neeldumise (MSA) režiimi lukustamine: optiliste mittelineaarsete neeldumisomadustega materjale kasutatakse režiimi lukustusseadmetena, näiteks kommertslikud pooljuhtide küllastatud absorbeerija peeglid (SESAM) ja uued nanomaterjalid (näiteks grafeen, süsiniknanotorud jne). Nendel materjalidel on tugeva valguse imendumine tugeva valguse ja kõrge läbilaskvuse korral, saavutades seeläbi intracavity impulsi ahenemise ja genereerides režiimi lukustatud impulsid.
Mittelineaarne polarisatsiooni pöörlemise (NPR) režiimi lukustamine: optilise kiu enda mittelineaarse KERR-i efekti abil rakendatakse erinevates polarisatsioonisuundades valguse jaoks erinevaid mittelineaarseid faasi nihkeid. Intracavity polarisatsiooniseadme toimel on resonantõõnes sarnased omadused, mis on sarnased küllastunud imendumisega, saavutades sellega režiimiluku. Seda tehnoloogiat ei piira materjali ribavahe ja lõdvestusaeg, sellel on mööduvad ultrafastide taastamise omadused ning kõrge modulatsioonisügavus ja kahjustuste lävi ning see sobib suure võimsusega femtosekundilise impulsi genereerimiseks.
Sageduse nihke tagasiside (FSF) režiimi lukustamine: Teatud tagasisidemehhanismi kaudu nihutatakse väljundvalguse sagedus ja suunatakse tagasi laserõõnsusesse, interakteerudes õõnsuse valguväljaga, moodustades stabiilse režiimi lukustatud pulsijärjestuse. See režiimi lukustusmeetod võib saavutada kõrge kordumissageduse ja impulsside kitsa impulsi laiuse.
3. Põhilised väljakutsed
① Termiline juhtimine:
Keskmise infrapunakiuga laserid tekitavad töö ajal palju soojust. Kui kuumust ei saa ajas ja tõhusalt hajutada, põhjustab see selliseid probleeme nagu laser jõudluse halvenemine ja kiudainekahjustused. Seetõttu on vaja kasutada tõhusaid soojuse hajumistehnoloogia ja soojusjuhtimise meetmeid, näiteks kasutada kõrge soojusjuhtivusega kiu maatriksimaterjale, kujundada mõistlikke soojuse hajumise struktuure ja jahutusseadmete kasutamist laseri stabiilse töö tagamiseks.
② Footoni tumendamise efekt:
Suure võimsusega pumpamistingimustes mõjutab footoni tumenemise efekt haruldaste maa-legeeritud optiliste kiudude korral laseri jõudlust ja eluiga. Footoni tumenemine viitab nähtusele, et kui laserimaterjali kiiritatakse tugeva valgusega, haaratakse valguse ergastusega tekitatud elektronid lõksu keskpunkti abil, mille tulemuseks on muutused materjali imendumise ja emissiooni karakteristikutes. Footoni tumenemise efekti mõju vähendamiseks on vaja optilise kiudude dopingukontsentratsiooni optimeerida, parandada optilise kiu ettevalmistamise protsessi, valida sobiv pumba allikas ja töötingimused jne.
③ Keskmise infrapuna optiliste kiudainete piirangud:
Praegu on optiliste kiudainete materjalide tüübid, mida saab keskmise infrapuna ribas kasutada, ja optilise kiu joonistamise protsessis, optiliste omaduste ja mehaaniliste omaduste osas on endiselt probleeme. Näiteks, kuigi fluoriidi klaaskiud on tavaliselt kasutatav infrapuna optilise kiu maatriksmaterjal, on selle fononi energia suhteliselt kõrge, mis piirab laseri emissiooni lainepikkust; Sulfiidiklaasi kiudained on sellised probleemid nagu kehv keemiline stabiilsus ja valmistamisraskused. Seetõttu on vaja pidevalt uurida ja arendada uusi keskmise infrapuna optilisi kiudude materjale, et rahuldada keskmise infrapunakiuga kiudlaserite arenguvajadusi.

Peamised rakendusalad
1. meditsiiniline ja bioloogiline pildistamine
① laseroperatsioon
Põhimõte: Kesk-infrapuna laserid (2-5 μm) võivad veemolekulid tugevalt imenduda ja umbes 70% inimkoest on vesi. See võimaldab keskmise infrapuna laserite energiat koondada pinnale, kui nad puutuvad kokku inimkudedega, vähendades ümbritsevate kudede soojuskahjustusi. Näiteks oftalmoloogilises kirurgias saab seda funktsiooni kasutada sarvkesta ülitäpse lõikamise saavutamiseks, põhjustamata teistele silmakudedele tarbetut kahju.
Eelised: võrreldes traditsioonilise nähtava valguse või lähedase laserkirurgiaga, on keskmise infrapunalise laseroperatsiooni täpsus ja madalam soojusmõju, mis võib saavutada delikaatsemaid kirurgilisi operatsioone ning vähendada patsientide valu ja taastumisaega.
② sildivaba kudede pildistamine
Põhimõte: näiteks optilise sidususe tomograafia (OCT) tehnoloogia kasutab keskmise infrapuna laserite madalaid hajumisomadusi bioloogiliste kudede kõrge eraldusvõimega tomograafilise pildistamise teostamiseks. Kui kudedel kiiritatakse keskmise infrapunavalgust, peegeldavad erineva sügavusega kudede kihid erineva intensiivsuse seljavalgust signaale. Neid signaale detektorite kaudu kogudes ja töötledes saab konstrueerida koe kolmemõõtmelise struktuurilise pildi.
Eelised: see pildistamismeetod ei nõua kudede värvimist ega märgistamist, vältides kahjustusi ja keemilist saastumist, mida traditsioonilised värvimismeetodid võivad kudedele põhjustada, ning võib saada kudede dünaamilist teavet reaalajas, pakkudes võimsa vahendi haiguste varajaseks diagnoosimiseks ja raviks.
2. keskkonnaseire ja gaasi tuvastamine
① Gaasi tuvastamine
Põhimõte: paljudel jälgimisgaasidel (näiteks CO₂, Ch₄ jne) on keskmise infrapuna riba iseloomulikud imendumispiigid. Kui suunatakse testitava gaasiproovi keskmise impulss-kiu laseri kiirgava laseriga ja mõõdab energiamuutust pärast seda, kui gaas neelab konkreetse lainepikkuse valgust, saab kindlaks teha gaasi kontsentratsiooni. Näiteks on CO₂ tugeva neeldumispiik 4,26 μm. Laserienergia nõrgenemise tuvastamisega sellel lainepikkusel võib järeldada CO₂ kontsentratsiooni.
Eelised: Keskmise infrapunaga impulss-kiu laseritel on kõrge tundlikkuse ja kõrge eraldusvõime omadused ning see võib tuvastada mikagaase äärmiselt madalatel kontsentratsioonidel, millel on keskkonnaseire, tööstuslike protsesside kontrolli ja kliimamuutuste uuringute jaoks suur tähtsus.
② Atmosfäärireostuse analüüs
Põhimõte: saasteainetel atmosfääris (näiteks lämmastikoksiidid, sulfiidid jne) on ka keskmise infrapuna riba erinevad neeldumisomadused. Skaneerides atmosfääri keskmise infrapunaga impulss-kiu laseriga, saab mitme saasteainete kontsentratsiooni jaotust samaaegselt tuvastada. Näiteks võib analüüsides atmosfääris erinevate lainepikkuste laserite imendumist, saasteainete ruumilise jaotuse kaardi.
Eelised: see kauge, kontaktivaba mõõtmismeetod saab kiiresti ja laialdaselt saada atmosfääri saasteteavet ilma proovid kogumata, pakkudes tõhusaid vahendeid keskkonnakaitse ja õhukvaliteedi hindamiseks.
3. tööstuslik töötlemine
① Polümeeri/pooljuhtide täpsuse töötlemine
Põhimõte: Keskmise infrapuna laserid võivad polümeerid ja pooljuhtide materjalid tugevalt imenduda, põhjustades materjalide sees olevate molekulaarsete sidemete purunemist, saavutades sellega materjali eemaldamise või modifikatsiooni. Täpse töötlemisprotsessi käigus, juhtides täpselt laseri parameetreid (näiteks impulsi laius, energiatihedus jne), saab materjali lõigata, puurida, graveerida ja muid toiminguid teha suure täpsusega. Näiteks saab pooljuhtide valmistamisel keskmise infrapuna lasereid kasutada räni vahvlite mikrotöötlemise saavutamiseks ning laastude integreerimise ja jõudluse parandamiseks.
Eelised: võrreldes traditsioonilise mehaanilise töötlemise või fotolitograafia tehnoloogiaga on keskmise infrapuna lasertöötlusel eelised kontaktideta, suure täpsuse ja suure tõhususega, mis võib vältida mehaanilist stressi ja materjalide kahjustusi ning parandada toodete kvaliteeti ja usaldusväärsust.
②infraseeritud läbipaistev materjali lõikamine
Põhimõte: Mõnedel infrapuna läbipaistvatel materjalidel (näiteks kaltogeniidklaas) on keskmise infrapuna ribas hea läbilaskvus. Kui need materjalid lõigatakse keskmise infrapunakiuga laserite abil, imendub laserienergia materjali sees ja muundatakse soojusenergiaks, põhjustades materjali osaliselt sulamise või aurustumise, saavutades sellega lõikamise. Laseri skaneerimistee ja parameetrite reguleerimisega saab lõigata erineva kuju ja suurusega materiaalseid osi.
Eelised: Sellel lõikamismeetodil on siledate servade, ülitäpse ja väikese kuumusega mõjutatud tsooni eelised, mis vastavad infrapuna optiliste süsteemide, kosmose- ja muude põldude vajadustele suure jõudlusega infrapuna läbipaistvate materjalide jaoks.
4. riigikaitse ja julgeolek
①infrapuste vastumeetmed
Põhimõte: sõjalistes rakendustes saab keskmise impulsiga kiudaineid lasereid kasutada suure võimsusega infrapunalise laserkiirte eraldamiseks, et häirida või hävitada vaenlase infrapunade tuvastamise seadmeid, juhitud relvi jne. Näiteks kiirgades laserteid sama töölainepikkusega, mis vaenlase infrapuna tuvastamise süsteem on ühes sihtmärgiks, on see, et see on saidne.
Eelised: Kesk-infrapuna laseritel on head atmosfääri ülekandeomadused ja tugevad sekkumisvastased võimalused. Nad saavad tõhusalt rakendada infrapuna vastumeetmeid keerulises lahinguväljal keskkonnas ning parandada sõjaseadmete võitluse tõhusust ja püsimist.
② Laserradar (lidar)
Põhimõte: LiDAR arvutab sihtmärgi vahemaa, suuna, kõrguse ja muu teabe, kiirgades laserimpulsse ja saades signaale, mida kajastavad sihtmärgid. Keskmise infrapuna impulsi kiudlaserid võivad nende lühikeste impulsside ja suure tippvõimsuse tõttu saavutada pikema vahemaa ja suurema täpsuse tuvastamise. Näiteks sellistes rakendustes nagu topograafiline kaardistamine ja sihtmärgi tuvastamine saab keskmise infrapuna laserradar saada üksikasjalikumat sihtteavet.
Eelised: võrreldes traditsiooniliste mikrolaineradaritega on keskmise infrapuna laserradaritel kõrgem eraldusvõime ja täpsus, nad saavad paremini tuvastada ja klassifitseerida sihtmärke ning neil on olulised rakenduse väljavaated kaitse luurelennul, autonoomses sõidu ja muude valdkondade osas.
③ Lõhkematerjalide kaug tuvastamine
Põhimõte: paljudel lõhkeainetel (näiteks dünamiit, ravimid jne) on keskmise infrapuna ribas iseloomulikud spektrid. Kasutage keskmise infrapuna impulsi kiudlasereid pikamaa sihtmärkide valgustamiseks, sihtmärkide kajastatud spektraalsignaalide kogumiseks ja, kas lõhkeained on olemas spektri karakteristikute analüüsimisel. Näiteks turvakontrolli kohtades, näiteks lennujaamades ja sadamates, saab personali ja pagasi kontrollimiseks kasutada infraad-laser-kaugtuvastusseadmeid.
Eelised: sellel kaugtuvastusmeetodil on mittekontaktide eelised, kiire ja täpne. See võib õigeaegselt tuvastada võimalikke ohutusohte, mõjutamata normaalseid toiminguid ning tagada avalik turvalisus ja sotsiaalkindlustus.
5. teadusuuringud
① ultrafast -spektroskoopia
Põhimõte: Ultrafasti spektroskoopia uurib ainete spektriomaduste muutusi äärmiselt lühikese aja jooksul (femtosekund, pikosekundi tase). Keskmise infrapunaga impulsiga kiudained võivad tekitada äärmiselt lühikesi impulsiga lasereid, mida saab kasutada proovide ergutamiseks ja nende ultrafastide spektrireaktsioonide tuvastamiseks. Näiteks pumba-nakatumise tehnoloogia kaudu pumbatakse proov ergastatud oleku saamiseks keskmise infrapunalise laseriga ja seejärel kasutatakse proovi spektriliste muutuste tuvastamiseks erineva viivitusaegade tuvastamiseks, et uurida ultrafastilisi protsesse, näiteks aine elektroonilist olekut ja võre vibratsiooni.
Eelised: see pakub võimsat uurimismeetodit selliste valdkondade jaoks nagu keemia, füüsika ja materjaliteadus, mis aitab sügavalt mõista ainete sisemist struktuuri ja dünaamilist protsessi.
② Külma molekuliga manipuleerimine
Põhimõte: Keskmise infrapuna laserite ja molekulide vastastikmõju saab kasutada külmade molekulide hõivamiseks, liigutamiseks ja manipuleerimiseks. Laseri sagedust, intensiivsust ja faasi täpselt reguleerides saab külma molekulide vangistamiseks moodustada spetsiifilise optilise potentsiaali ja realiseerida molekulide liikumise kontrolli. Näiteks kvantarvutuse ja kvantteabe töötlemise valdkonnas saab kvantmolekulide kvantseisundi manipuleerimiseks kvantseisundiga manipuleerida, et saavutada kvantbittide töö.
Eelised: see pakub uut eksperimentaalset platvormi kvantfüüsika, keemilise füüsika ja muude väljade uurimiseks ning eeldatakse, et see teeb olulise läbimurde kvantarvutluses, kvantsimulatsioonis ja muudes aspektides.
③ attosekundide impulsside genereerimine
Põhimõte: mittelineaarsete optiliste protsesside kaudu, nagu kõrge astme harmooniline genereerimine (HHG), võivad keskmise infrapuna pulseeritud kiu laserid tekitada ultrašorte impulsse attosekundi tasemel (10⁻ sekundit). Kui keskmise infrapuna laserid interakteeruvad aatomite või molekulidega, genereeritakse kõrge astme harmoonia. Nende harmooniliste sagedused on äärmises ultraviolettsasjas (XUV) ja nende impulsi laiused võivad jõuda attosekundi tasemele.
Eelised: see pakub ülimalt kõrget eraldusvõimet selliste ultrafastide protsesside uurimiseks nagu tuuma liikumine ja elektronide dünaamika, mis aitab veelgi paljastada aine mikroskoopilise maailma müsteeriume.

Kokkuvõtlikult on keskmise infrapuna impulss-kiu laserid näidanud laiaulatuslikke rakendusalasid ja suurt potentsiaali meditsiinilise ja bioloogilise pildistamise, keskkonnaseire ja gaasi tundmise, tööstusliku töötlemise, riigikaitse ja turvalisuse ning teadusuuringute valdkonnas ning teadusuuringud. Tehnoloogia pideva arendamise ja parendamisega arvatakse, et keskmise infrapunakiu kiudainete keskel on oluline roll rohkemates valdkondades ning toob inimühiskonnale rohkem heaolu ja edusamme.

Kontaktteave:

Kui teil on ideid, rääkige meiega julgelt. Pole tähtis, kus meie kliendid asuvad ja millised on meie nõuded, järgime oma eesmärki pakkuda klientidele kvaliteetseid, madalaid hindu ja parimat teenust.