Applications de lasers à fibres pulsées infrarouges moyennes

Laser infrarouge moyenfait référence aux ondes électromagnétiques avec une longueur d'onde dans la bande de 3 μm ~ 1000 μm; Dans le domaine de la technologie laser, le milieu infrarouge est généralement défini comme la bande de 2 μm ~ 5 μm. Les lasers infrarouges moyens ont des gammes de longueurs d'onde uniques et des caractéristiques d'absorption moléculaire et conviennent à une variété de scénarios d'application; Alors que les lasers à fibres pulsés ont montré un large potentiel d'application dans le traitement industriel et d'autres champs avec leurs avantages tels que la qualité des fêtes de route, la bonne stabilité et la structure compacte.

La bande infrarouge moyenne contient deux fenêtres de transmission atmosphérique principales (3 ~ 5 μm et 8 ~ 12 μm de régions). Dans ces bandes, l'absorption des composants principaux de l'atmosphère est très faible, une transmission à longue distance peut être obtenue, ce qui convient à la télédétection, à la détection et à d'autres champs.
La bande infrarouge moyenne est située dans la région de résonance des vibrations fondamentales de la plupart des molécules, et de nombreux liquides, gaz et matériaux non métalliques ont une forte absorption de la lumière infrarouge moyenne. Cette caractéristique fait que les lasers infrarouges moyens ont des applications importantes dans l'analyse spectrale, la surveillance environnementale, le diagnostic médical et d'autres domaines.

Technologies clés de lasers à fibres pulsées infrarouges moyennes
1. Gagnez la sélection moyenne
Fibre dopé à la terre rare:
Er³⁺ (ion erbium): généralement utilisé pour atteindre la sortie laser dans la bande de 2,7 ~ 2,8 μm, adaptée à la télédétection médicale, atmosphérique et à d'autres champs. Sa structure de niveau d'énergie lui permet de générer des lasers infrarouges moyens dans des conditions de pompage spécifiques.
Ho³⁺ (holmium ion): peut générer des lasers dans la bande 2. 0 ~ 2,1 μm, souvent co-dopée avec d'autres ions (tels que co-dopés avec Pr³⁺) pour optimiser les performances du laser. Cette bande est dans la fenêtre de transmission atmosphérique, sans danger pour les yeux humains et a une valeur d'application dans le radar laser et d'autres champs.
TM³⁺ (ion thulium): peut générer des lasers dans la bande de 2,3 μm, ce qui est significatif pour certaines analyses spectrales et applications spécifiques.
② Conversion de fréquence non linéaire:
OPO (Oscillateur paramétrique optique): Sur la base du processus d'amplification paramétrique dans les cristaux non linéaires, l'énergie de la lumière de la pompe est convertie en lumière du signal et lumière fine. En sélectionnant des cristaux non linéaires et des conceptions d'oscillateur appropriés, la sortie laser dans la bande infrarouge moyenne peut être obtenue et le réglage peut être obtenu dans une plage de longueur d'onde plus large.
DFG (diffusion Raman stimulée): les lasers infrarouges moyens sont générés en utilisant l'effet de diffusion Raman. En ajustant les paramètres de la lumière de la pompe et les caractéristiques du milieu Raman, les sorties laser infrarouges moyennes de différentes longueurs d'onde peuvent être obtenues, mais une puissance de pompe plus élevée est généralement nécessaire.
2. Mécanisme de génération d'impulsions
① Technologie de commutation Q:
Communage Q actif: La perte ou la puissance de la pompe du laser est contrôlée par un signal de modulation externe, de sorte que la densité de photons dans la cavité laser change périodiquement, générant ainsi la sortie laser pulsée. Par exemple, le laser est modulé à l'aide de composants tels qu'un modulateur acousto-optique ou un modulateur électro-optique pour générer des impulsions. Cette méthode peut contrôler avec précision la fréquence de répétition et la largeur d'impulsion de l'impulsion, mais nécessite un équipement de modulation supplémentaire, ce qui augmente la complexité du système.
Commandard passif Q: les caractéristiques d'absorption non linéaire des composants passives tels que les absorbeurs saturés sont utilisés pour moduler la densité des photons dans la cavité laser. Lorsque la densité de photons atteint un certain seuil, le coefficient d'absorption de l'absorbeur saturé change, modifiant ainsi la perte de la cavité laser et générant des lasers pulsés. Le changement de Q passif a une structure simple et un faible coût, mais la fréquence de répétition et la largeur d'impulsion de l'impulsion sont relativement difficiles à contrôler.
② Technologie de verrouillage de mode:
MATÉRIAUX ABSORPTION STATRABLE (MSA) LOCKING DE MODE: Les matériaux avec des caractéristiques optiques de l'absorption non linéaire sont utilisés comme dispositifs de verrouillage de mode, tels que les miroirs d'absorbeur saturant semi-conducteur commercial (SESAM) et les nouveaux nanomatériaux (tels que le graphène, les nanotubes de carbone, etc.). Ces matériaux ont une forte absorption pour une faible lumière et une transmittance élevée pour une lumière forte, réalisant ainsi le rétrécissement des impulsions d'intracavité et la génération d'impulsions verrouillées en mode.
Rotation de polarisation non linéaire (NPR) Mode de verrouillage: à l'aide de l'effet Kerr non linéaire de la fibre optique elle-même, différents déphasages non linéaires sont appliqués à la lumière dans différentes directions de polarisation. Dans l'action du dispositif de polarisation d'intracavité, la cavité résonante présente des caractéristiques similaires à l'absorption satuable, réalisant ainsi le verrouillage du mode. Cette technologie n'est pas limitée par la bande interdite et le temps de relaxation du matériau, a des caractéristiques transitoires de récupération ultra-rapide et un seuil de profondeur et de dégâts de modulation élevée, et convient à la génération d'impulsions Femtoseconde haute puissance.
Verrouillage du mode de rétroaction de décalage de fréquence (FSF): grâce à un certain mécanisme de rétroaction, la fréquence de partie de la lumière de sortie est décalée et renvoyée vers la cavité laser, interagissant avec le champ de lumière dans la cavité pour former une séquence d'impulsion à verrouillage de mode stable. Cette méthode de verrouillage de mode peut atteindre une fréquence de répétition élevée et une largeur d'impulsion étroite des impulsions.
3. Défis de base
① Gestion thermique:
Les lasers à fibres d'impulsions infrarouges moyennes génèrent beaucoup de chaleur pendant le fonctionnement. Si la chaleur ne peut pas être dissipée dans le temps et efficacement, elle entraînera des problèmes tels que la dégradation des performances du laser et les dommages aux fibres. Par conséquent, il est nécessaire d'adopter une technologie de dissipation de chaleur efficace et des mesures de gestion thermique, telles que l'utilisation de matériaux de matrice de fibres avec une conductivité thermique élevée, la conception de structures de dissipation de chaleur raisonnables et l'utilisation de dispositifs de refroidissement pour assurer le fonctionnement stable du laser.
② Effet d'assombrissement des photons:
Dans des conditions de pompage haute puissance, l'effet d'assombrissement des photons dans les fibres optiques dopées à la terre rare affectera les performances et la durée de vie du laser. L'assombrissement des photons fait référence au phénomène que lorsque le matériau laser est irradié avec une forte lumière, les électrons générés par l'excitation de la lumière sont capturés par le centre de piège, entraînant des changements dans les caractéristiques d'absorption et d'émission du matériau. Afin de réduire l'impact de l'effet d'assombrissement des photons, il est nécessaire d'optimiser la concentration de dopage de la fibre optique, d'améliorer le processus de préparation de la fibre optique, de sélectionner une source de pompe et des conditions de travail appropriées, etc.
③ Limites des matériaux de fibres optiques infrarouges moyens:
Actuellement, les types de matériaux de fibres optiques qui peuvent être utilisés dans la bande infrarouge moyenne sont limités, et il y a encore des problèmes dans le processus de dessin, les propriétés optiques et les propriétés mécaniques de la fibre optique. Par exemple, bien que la fibre de verre de fluorure soit un matériau de matrice de fibres optiques intermédiaire couramment utilisé, son énergie phonon est relativement élevée, ce qui limite la plage de longueur d'onde d'émission du laser; La fibre de verre sulfure a des problèmes tels qu'une mauvaise stabilité chimique et des difficultés de préparation. Par conséquent, il est nécessaire d'explorer et de développer en continu de nouveaux matériaux de fibres optiques infrarouges moyennes pour répondre aux besoins de développement des lasers à fibres pulsées infrarouges moyennes.

Zones d'application principales
1. Imagerie médicale et biologique
① Chirurgie laser
Principe: les lasers infrarouges moyens (2-5} μm) peuvent être fortement absorbés par les molécules d'eau, et environ 70% du tissu humain est de l'eau. Cela permet à l'énergie des lasers infrarouges moyens d'être concentrés sur la surface lorsqu'ils entrent en contact avec les tissus humains, réduisant les dommages thermiques aux tissus environnants. Par exemple, en chirurgie ophtalmique, cette caractéristique peut être utilisée pour effectuer une coupe cornéenne de haute précision sans causer de dommages inutiles à d'autres tissus oculaires.
Avantages: Par rapport à la chirurgie laser à la lumière visible ou à près infrarouge traditionnelle, la chirurgie laser infrarouge moyenne a une précision plus élevée et des effets thermiques plus faibles, ce qui peut réaliser des opérations chirurgicales plus délicates et réduire la douleur et le temps de récupération des patients.
② Imagerie tissulaire sans étiquette
Principe: Par exemple, la technologie de tomographie par cohérence optique (OCT) utilise les caractéristiques de diffusion faible des lasers infrarouges moyens pour effectuer une imagerie tomographique haute résolution des tissus biologiques. Lorsque la lumière infrarouge moyenne est irradiée sur les tissus, les couches de tissus à différentes profondeurs refléteront les signaux de la lumière de dos de différentes intensités. En collectant et en traitant ces signaux par le biais de détecteurs, une image structurelle tridimensionnelle du tissu peut être construite.
Avantages: Cette méthode d'imagerie ne nécessite pas de coloration ou de marquage des tissus, en évitant les dommages et la contamination chimique que les méthodes de coloration traditionnelles peuvent provoquer des tissus et peuvent obtenir des informations dynamiques des tissus en temps réel, fournissant un outil puissant pour le diagnostic précoce et le traitement des maladies.
2. Surveillance environnementale et détection de gaz
① Détection de gaz trace
Principe: De nombreux gaz traces (tels que Co₂, Ch₄, etc.) ont des pics d'absorption caractéristiques dans la bande infrarouge moyenne. En visant le laser émis par le laser à fibre pulsé infrarouge moyen à l'échantillon de gaz à tester et à la mesure du changement d'énergie après que le gaz absorbe la lumière d'une longueur d'onde spécifique, la concentration du gaz peut être déterminée. Par exemple, le CO₂ a un fort pic d'absorption à 4,26 μm. En détectant l'atténuation de l'énergie laser à cette longueur d'onde, la concentration de CO₂ peut être déduite.
Avantages: les lasers à fibres pulsés infrarouges moyennes ont les caractéristiques d'une sensibilité élevée et d'une haute résolution, et peuvent détecter les gaz traces à des concentrations extrêmement faibles, ce qui est très important pour la surveillance environnementale, le contrôle des processus industriels et la recherche sur le changement climatique.
② Analyse de la pollution atmosphérique
Principe: Les polluants dans l'atmosphère (tels que les oxydes d'azote, les sulfures, etc.) ont également différentes caractéristiques d'absorption dans la bande infrarouge moyenne. En balayant l'atmosphère avec un laser à fibres pulsées infrarouges moyen, la distribution de concentration de plusieurs polluants peut être détectée simultanément. Par exemple, en analysant l'absorption des lasers de différentes longueurs d'onde dans l'atmosphère, une carte de distribution spatiale des polluants peut être dessinée.
Avantages: Cette méthode de mesure à distance et sans contact peut obtenir rapidement et largement les informations de pollution atmosphérique sans collecter des échantillons, fournissant un moyen efficace de protection de l'environnement et d'évaluation de la qualité de l'air.
3. Traitement industriel
① Traitement de précision en polymère / semi-conducteur
Principe: les lasers infrarouges moyens peuvent être fortement absorbés par les polymères et les matériaux semi-conducteurs, provoquant la rupture des liaisons moléculaires à l'intérieur des matériaux, réalisant ainsi l'élimination ou la modification des matériaux. Pendant le processus de traitement de précision, en contrôlant précisément les paramètres du laser (tels que la largeur d'impulsion, la densité d'énergie, etc.), le matériau peut être coupé, foré, gravé et d'autres opérations peuvent être effectuées avec une haute précision. Par exemple, dans la fabrication de puces semi-conducteurs, les lasers infrarouges moyens peuvent être utilisés pour atteindre la micro-transformation des plaquettes de silicium et améliorer l'intégration et les performances des puces.
Avantages: Par rapport à la technologie traditionnelle du traitement mécanique ou de la photolithographie, le traitement laser infrarouge médian présente les avantages du non-contact, de la haute précision et de l'efficacité élevée, ce qui peut éviter la contrainte mécanique et les dommages aux matériaux et améliorer la qualité et la fiabilité du produit.
②Infrate de découpe de matériaux transparents
Principe: Certains matériaux transparents infrarouges (tels que le verre de chalcogénure) ont une bonne transmittance dans la bande infrarouge moyenne. Lorsque ces matériaux sont coupés par des lasers à fibres pulsées infrarouges moyennes, l'énergie laser est absorbée à l'intérieur du matériau et convertie en énergie thermique, provoquant la fonte ou la vaporisation partiellement, réalisant ainsi la coupe. En ajustant le chemin de balayage et les paramètres du laser, les parties de matériaux de différentes formes et tailles peuvent être coupées.
Avantages: Cette méthode de coupe présente les avantages des bords lisses, de haute précision et de petite zone touchée par la chaleur, qui peut répondre aux besoins des systèmes optiques infrarouges, de l'aérospatiale et d'autres champs pour les pièces de matériau transparent infrarouge à haute performance.
4. Défense nationale et sécurité
Les contre-mesures infrarouges
Principe: Dans les applications militaires, les lasers à fibres pulsés médianes peuvent être utilisés pour émettre des faisceaux laser infrarouges de haute puissance pour interférer avec ou détruire l'équipement de détection infrarouge ennemi, les armes guidées, etc. Par exemple, en émettant des lasers avec la même longueur d'onde de travail que le système de détection infrarouge de l'ennemi, son détecteur est saturé ou invalidé, le système de détection infrarouge de l'ennemi.
Avantages: les lasers infrarouges moyens ont une bonne caractéristique de transmission atmosphérique et de fortes capacités d'anti-interférence. Ils peuvent mettre en œuvre efficacement les contre-mesures infrarouges dans des environnements complexes sur le champ de bataille et améliorer l'efficacité du combat et la survie des équipements militaires.
Radar laser (lidar)
Principe: LIDAR calcule la distance, la direction, la hauteur et d'autres informations de la cible en émettant des impulsions laser et en recevant les signaux reflétés par la cible. Les lasers à fibres d'impulsions infrarouges moyennes peuvent atteindre une distance de plus longue distance et une détection de cible de précision plus élevée en raison de leurs impulsions courtes et de leur puissance de pointe élevée. Par exemple, dans des applications telles que la cartographie topographique et l'identification cible, le radar laser infrarouge moyen peut obtenir des informations cibles plus détaillées.
Avantages: Par rapport aux radars micro-ondes traditionnels, les radars laser infrarouges moyens ont une résolution et une précision plus élevées, peuvent mieux identifier et classer les cibles et ont des perspectives d'application importantes dans la reconnaissance de la défense, la conduite autonome et d'autres domaines.
③ Détection à distance des explosifs
Principe: De nombreux explosifs (comme la dynamite, les médicaments, etc.) ont des spectres caractéristiques dans la bande infrarouge moyenne. Utilisez des lasers à fibres d'impulsions infrarouges moyennes pour éclairer les cibles à longue distance, collecter les signaux spectraux reflétés par les cibles et déterminer si des explosifs existent en analysant les caractéristiques spectrales. Par exemple, dans les lieux d'inspection de sécurité tels que les aéroports et les ports, un équipement de détection à distance laser infrarouge médian peut être utilisé pour inspecter le personnel et les bagages.
Avantages: Cette méthode de détection à distance présente les avantages de non-contact, rapide et précis. Il peut détecter en temps opportun les risques de sécurité potentiels sans affecter les opérations normales et assurer la sécurité publique et la sécurité sociale.
5. Recherche scientifique
① Spectroscopie ultra-rapide
Principe: La spectroscopie ultra-rapide étudie les changements dans les caractéristiques spectrales des substances dans un temps extrêmement court (Femtoseconde, niveau picoseconde). Les lasers à fibres pulsés infrarouges moyens peuvent produire des lasers pulsés extrêmement courts, qui peuvent être utilisés pour exciter des échantillons et détecter leurs réponses spectrales ultra-rapides. Par exemple, grâce à la technologie Pump-Probe, l'échantillon est pompé avec un laser infrarouge moyen pour produire un état excité, puis un autre faisceau laser est utilisé pour détecter les changements spectraux de l'échantillon à différents moments de retard, afin d'étudier les processus ultrafast tels que l'état électronique et les vibrations du laboratoire de la substance.
Avantages: Il fournit une méthode de recherche puissante pour des domaines tels que la chimie, la physique et la science des matériaux, ce qui aide à comprendre profondément la structure interne et le processus dynamique des substances.
② Manipulation de la molécule froide
Principe: L'interaction entre les lasers et les molécules infrarouges moyennes peut être utilisée pour capturer, déplacer et manipuler les molécules froides. En ajustant précisément la fréquence, l'intensité et la phase du laser, un puits de potentiel optique spécifique peut être formé pour emprisonner les molécules froides et réaliser le contrôle de mouvement des molécules. Par exemple, dans le domaine de l'informatique quantique et du traitement de l'information quantique, les lasers infrarouges moyens peuvent être utilisés pour manipuler l'état quantique des molécules froides pour obtenir le fonctionnement des bits quantiques.
Avantages: Il fournit une nouvelle plate-forme expérimentale pour la recherche en physique quantique, physique chimique et autres domaines, et devrait faire des percées importantes dans l'informatique quantique, la simulation quantique et d'autres aspects.
③ Génération d'attes à attoseconde
Principe: Grâce à des processus optiques non linéaires tels que la génération harmonique d'ordre élevé (HHG), les lasers à fibres pulsées infrarouges moyennes peuvent générer des impulsions ultrassement au niveau attoseconde (10⁻¹⁸ secondes). Lorsque les lasers infrarouges intermédiaires interagissent avec les atomes ou les molécules, des harmoniques d'ordre élevé sont générées. Les fréquences de ces harmoniques se trouvent dans la bande ultraviolette extrême (XUV), et leurs largeurs d'impulsions peuvent atteindre le niveau d'attoseconde.
Avantages: Il fournit une résolution de temps extrêmement élevée pour l'étude des processus ultrarapides tels que le mouvement nucléaire et la dynamique des électrons, ce qui aide à révéler davantage les mystères du monde microscopique de la matière.

En résumé, les lasers à fibres pulsés infrarouges moyens ont montré de larges perspectives d'application et un grand potentiel dans les domaines de l'imagerie médicale et biologique, de la surveillance environnementale et de la détection du gaz, du traitement industriel, de la défense nationale et de la sécurité et de la recherche scientifique. Avec le développement continu et l'amélioration de la technologie, on pense que les lasers à fibres pulsées infrarouges moyens joueront un rôle important dans plus de domaines et apporteront plus de bien-être et de progrès dans la société humaine.

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