Connaissez-vous les lasers à semi-conducteurs à infrarouge moyen ? (Partie 1)

Bande infrarouge moyenfait référence à une certaine bande dans la plage de longueurs d'onde infrarouge, en raison des différentes exigences d'application, la plage de longueur d'onde infrarouge moyen a des définitions différentes selon les domaines d'application. L'International Lighting Association définit l'infrarouge moyen comme étant 3-1000μm ; Dans l'armée, généralement limité à 3-5 μm ; Dans le domaine de la technologie laser, la plage de longueurs d'onde du laser infrarouge moyen fait généralement référence à une bande de 2-5 μm.

(1) Communications spatiales

La bande infrarouge moyen est située dans la fenêtre d’absorption de l’atmosphère. Comme le montre la figure 1, dans la bande infrarouge moyenne, la transmission de la plupart des longueurs d'onde est supérieure à 60 pour cent, certaines d'entre elles atteignent 90 pour cent et un petit nombre de longueurs d'onde sont très faibles en raison de l'absorption et de la transmission. de molécules CO2, H2O et O3. Par conséquent, le laser infrarouge moyen peut réaliser une transmission sur de longues distances dans l’atmosphère et a une large gamme d’applications dans la télédétection, la détection et d’autres domaines.

La bande infrarouge moyen de 3-5 μm est la fenêtre de faible perte, de faible turbulence et de faible bruit de fond de l'atmosphère, qui peut bien surmonter l'influence des canaux atmosphériques et constitue la bande idéale pour les lasers longue distance. communication dans l'espace.

Les données à grande vitesse à transmettre sont codées et chargées sur la sortie du support optique par la source laser infrarouge moyen pour former le signal laser infrarouge moyen, puis amplifiées par la puissance optique et l'antenne d'émission pour étendre le faisceau. Le but de l'expansion du faisceau est de comprimer l'angle de divergence du faisceau et de réduire la perte de divergence du faisceau laser dans l'atmosphère, puis de le transmettre via le canal atmosphérique jusqu'à l'extrémité de réception. Il est transmis par l'antenne de réception et converti par le photodétecteur infrarouge moyen, et enfin traité par l'unité de traitement de données telle que le décodeur de ligne, les données originales à grande vitesse sont obtenues.

(2) Applications médicales

Les molécules d'eau constituent une partie importante des tissus biologiques (le spectre d'absorption de l'eau est illustré à la figure 3). L'effet thermique des molécules d'eau sur l'absorption intense du laser de 1,9-2μm peut obtenir une hémostase rapide et réduire les dommages causés aux tissus humains pendant la chirurgie. Par conséquent, les lasers de cette bande sont largement utilisés en chirurgie clinique.

Les cas utilisés en chirurgie clinique comprennent la résection de tumeurs bénignes et malignes telles que l'angiocératome et la tumeur cérébrale, la chirurgie nasale telle que les polypes nasaux, l'hyperplasie folliculaire de la paroi pharyngée postérieure, l'hypertrophie du cornet inférieur, la transposition de l'endomètre, la cystite glandulaire. , hypertrophie prostatique, lithotripsie, perforation myocardique au laser, synoviectomie articulaire, kyste articulaire et autre résection des tissus mous et traitement de l'arthrose, etc.

Cette méthode médicale présente les avantages de moins ou pas de saignement, de l'absence de tamponnade, de petites blessures, d'une guérison rapide de la surface blessée et d'une méthode chirurgicale simple.

(3) Applications militaires

La technologie de brouillage infrarouge directionnel est une sorte de technologie de brouillage actif infrarouge. Une fois que le faisceau laser atteint un certain taux d'expansion du faisceau, lorsqu'un missile approche, le dispositif de suivi est utilisé pour diriger l'énergie de brouillage vers la direction du missile entrant, provoquant l'autodirecteur du missile échoue et s'écarte de la cible.

Le laboratoire naval des États-Unis a développé avec succès le système de guerre électronique tactique anti-navire multibande (MATES) pour le système de guerre électronique intégré (AIEWS), qui utilise une source de lumière principalement dans la gamme spectrale de l'infrarouge moyen et lointain. appareils laser infrarouges.

(4) Transformation industrielle

Les plastiques transparents ont une petite absorption de 1 μm, tandis que la plupart des matériaux organiques ont une absorption suffisante de 2 μm, de sorte qu'ils peuvent être directement utilisés dans la découpe, le soudage, la gravure et d'autres domaines de traitement de matériaux transparents. Avec la popularité croissante de la technologie d’impression 3D laser, la fabrication par impression 3D de matériaux organiques transparents se développera plus rapidement.

(5) Surveillance des gaz

La bande infrarouge moyen concentre les raies d'absorption d'un grand nombre de molécules de gaz et son intensité d'absorption est 2-3 fois plus forte que celle de la bande proche infrarouge. Par conséquent, le laser infrarouge moyen présente une large gamme d’utilité civile dans le domaine de la détection des gaz traces. Étant donné que les pics d'absorption du CO2, du CH4 et du C2H6 se situent respectivement dans les bandes de 2,8 μm, 3,2 μm et 3,3 μm, le laser infrarouge moyen continu peut être appliqué à la spectroscopie moléculaire pour améliorer la sensibilité de la surveillance des gaz traces.

Technologie de génération de laser à semi-conducteurs infrarouge moyen

Pour la technologie laser à semi-conducteurs, les méthodes de génération de la bande infrarouge moyenne peuvent être divisées en technologies d'émission directe d'ions dopés et de conversion non linéaire.

L'émission directe d'ions dopés est l'émission de photons dans l'infrarouge moyen via la transition de niveau d'énergie des ions. Les activateurs solides courants comprennent les ions de terres rares (Tm3 plus , Ho3 plus , Er3 plus , etc.) et les ions de métaux de transition (Fe2 plus , Cr2 plus , etc.).

Les techniques de conversion de fréquence non linéaire incluent la différence de fréquence, l'oscillation paramétrique optique et la diffusion Raman stimulée, qui sont principalement déterminées par les propriétés des cristaux non linéaires.

(1) Laser à solide dopé au thulium

La bande d'émission du laser thulium se situe au pic d'absorption des molécules d'eau (1,92-1,94 μm), le laser thulium est donc un laser médical prometteur avec une efficacité élevée et de faibles dommages thermiques lorsqu'il est appliqué en chirurgie. De plus, les lasers dopés au thulium peuvent être utilisés comme sources de pompage pour les systèmes laser dopés à l'holmium et les lasers paramétriques infrarouge moyen.

Le pic d'absorption des matériaux dopés au thulium est d'environ 790 nm, ce qui convient au pompage de semi-conducteurs. Les matériaux matriciels dopés au thulium courants comprennent YAG, YLF, LuAG, YAP, etc. Ces dernières années, de nouveaux supports de gain basés sur des céramiques sesquioxydes, tels que Tm : Lu2O3 et Tm : (Lu, Sc)2O3, ont également été largement étudiés. .

Le niveau d'énergie de l'ion thulium est élargi sous l'action du champ cristallin du matériau matriciel, et la largeur du niveau d'énergie et l'intervalle de bande sont différents, mais les caractéristiques de base sont similaires et les raies du spectre d'émission sont principalement concentrées dans la plage de 1.9-2,1 μm. Une sortie réglable avec une largeur de raie étroite peut être obtenue en réglant des éléments tels que le réseau de Bragg en volume avec son large spectre de fluorescence.

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