Aplikasi laser serat berdenyut pertengahan

Laser pertengahan inframerahmerujuk kepada gelombang elektromagnet dengan panjang gelombang dalam band 3μm ~ 1000μm; Dalam bidang teknologi laser, inframerah pertengahan umumnya ditakrifkan sebagai band 2μm ~ 5μm. Laser inframerah pertengahan mempunyai julat panjang gelombang yang unik dan ciri-ciri penyerapan molekul, dan sesuai untuk pelbagai senario aplikasi; Walaupun laser serat berdenyut telah menunjukkan potensi aplikasi yang luas dalam pemprosesan perindustrian dan bidang lain dengan kelebihan mereka seperti kualiti rasuk yang tinggi, kestabilan yang baik dan struktur padat.

Band inframerah pertengahan mengandungi dua tingkap transmisi atmosfera utama (3 ~ 5 μm dan 8 ~ 12 μm kawasan). Dalam kumpulan ini, penyerapan komponen utama di atmosfera sangat rendah, penghantaran jarak jauh dapat dicapai, yang sesuai untuk penderiaan, pengesanan dan bidang lain.
Band inframerah pertengahan terletak di rantau resonans getaran asas kebanyakan molekul, dan banyak cecair, gas dan bahan bukan logam mempunyai penyerapan kuat cahaya pertengahan inframerah. Ciri ini menjadikan laser inframerah pertengahan mempunyai aplikasi penting dalam analisis spektrum, pemantauan alam sekitar, diagnosis perubatan dan bidang lain.

Teknologi utama laser serat berdenyut pertengahan
1. Dapatkan pemilihan sederhana
① Serat Rade Earth-Doped:
Er³⁺ (Erbium ion): Biasanya digunakan untuk mencapai output laser dalam jalur 2.7 ~ 2.8 μm, sesuai untuk penderiaan jarak jauh, atmosfera dan bidang lain. Struktur tahap tenaga membolehkannya menjana laser pertengahan inframerah di bawah keadaan pam tertentu.
Ho³⁺ (holmium ion): boleh menjana laser dalam 2. 0 ~ 2.1 μm band, sering bersama-sama dengan ion lain (seperti co-doped dengan pr³) untuk mengoptimumkan prestasi laser. Band ini berada di tetingkap penghantaran atmosfera, selamat untuk mata manusia dan mempunyai nilai aplikasi dalam radar laser dan bidang lain.
TM³⁺ (thulium ion): boleh menjana laser dalam jalur 2.3 μm, yang bermakna untuk analisis dan aplikasi spektrum tertentu tertentu.
② Penukaran kekerapan bukan linear:
OPO (Oscillator Parametrik Optik): Berdasarkan proses penguatan parametrik dalam kristal tak linear, tenaga cahaya pam ditukar menjadi cahaya isyarat dan cahaya pemalas. Dengan memilih kristal bukan linear yang sesuai dan reka bentuk pengayun, output laser dalam jalur pertengahan inframerah dapat diperoleh, dan penalaan dapat dicapai dalam julat panjang gelombang yang lebih luas.
DFG (Stimulated Raman Scattering): Laser inframerah pertengahan dijana menggunakan kesan penyebaran Raman. Dengan menyesuaikan parameter cahaya pam dan ciri-ciri medium Raman, output laser inframerah pertengahan panjang gelombang yang berbeza dapat dicapai, tetapi kuasa pam yang lebih tinggi biasanya diperlukan.
2. Mekanisme penjanaan nadi
① Teknologi Q-Switching:
Switching Q Active: Kekuatan atau kuasa pam laser dikawal oleh isyarat modulasi luaran, supaya ketumpatan foton dalam rongga laser berubah secara berkala, dengan itu menghasilkan output laser berdenyut. Sebagai contoh, laser dimodulasi menggunakan komponen seperti modulator acoustto-optik atau modulator elektro-optik untuk menghasilkan denyutan. Kaedah ini boleh mengawal kekerapan pengulangan dan lebar nadi denyutan, tetapi memerlukan peralatan modulasi tambahan, yang meningkatkan kerumitan sistem.
Pasif Q-switching: Ciri-ciri penyerapan tak linear komponen pasif seperti penyerap tepu digunakan untuk memodulasi kepadatan foton dalam rongga laser. Apabila ketumpatan foton mencapai ambang tertentu, pekali penyerapan perubahan penyerap tepu, dengan itu mengubah kehilangan rongga laser dan menghasilkan laser berdenyut. Pasif Q-switching mempunyai struktur mudah dan kos rendah, tetapi kekerapan pengulangan dan lebar denyut nadi agak sukar untuk dikawal.
② Teknologi pengunci mod:
Bahan Penyerapan Saturable (MSA) Mode-Locking: Bahan dengan ciri-ciri penyerapan nonlinear optik digunakan sebagai peranti pengunci mod, seperti cermin penyerap semikonduktor komersial (Sesam) dan nanomaterials baru (seperti graphene, nanotube karbon, dan lain-lain). Bahan-bahan ini mempunyai penyerapan yang kuat untuk cahaya yang lemah dan transmisi yang tinggi untuk cahaya yang kuat, dengan itu mencapai denyutan intrakaviti menyempitkan dan menjana pulsa terkunci mod.
Mode Putaran Polarisasi Nonlinear (NPR) Locking: Dengan bantuan kesan kerr tak linear serat optik itu sendiri, peralihan fasa tak linear yang berbeza digunakan untuk cahaya dalam arah polarisasi yang berbeza. Di bawah tindakan peranti polarisasi intrakaviti, rongga resonan mempamerkan ciri-ciri yang serupa dengan penyerapan susu, dengan itu mencapai penguncian mod. Teknologi ini tidak terhad oleh jurang band dan masa kelonggaran bahan, mempunyai ciri-ciri pemulihan ultrafast sementara dan kedalaman modulasi yang tinggi dan ambang kerosakan, dan sesuai untuk penjanaan nadi femtosecond kuasa tinggi.
Penguncian Maklum Balas Peralihan Kekerapan (FSF) Mengunci: Melalui mekanisme maklum balas tertentu, kekerapan sebahagian daripada cahaya output dipindahkan dan diberi makan kembali ke rongga laser, berinteraksi dengan medan cahaya di rongga untuk membentuk urutan nadi terkunci mod yang stabil. Kaedah penguncian mod ini boleh mencapai kekerapan pengulangan yang tinggi dan lebar denyutan denyutan sempit.
3. Cabaran Teras
① Pengurusan Thermal:
Laser serat nadi inframerah pertengahan menghasilkan banyak haba semasa operasi. Sekiranya haba tidak dapat hilang dalam masa dan berkesan, ia akan membawa kepada masalah seperti kemerosotan prestasi laser dan kerosakan serat. Oleh itu, adalah perlu untuk mengadopsi teknologi pelesapan haba yang cekap dan langkah -langkah pengurusan terma, seperti menggunakan bahan matriks gentian dengan kekonduksian terma yang tinggi, merancang struktur pelesapan haba yang munasabah, dan menggunakan peranti penyejukan untuk memastikan operasi stabil laser.
② Kesan kegelapan foton:
Di bawah keadaan mengepam kuasa tinggi, kesan kegelapan foton dalam gentian optik yang jarang berlaku-doped akan menjejaskan prestasi dan kehidupan laser. Gelap foton merujuk kepada fenomena bahawa apabila bahan laser disinari dengan cahaya yang kuat, elektron yang dihasilkan oleh pengujaan cahaya ditangkap oleh pusat perangkap, mengakibatkan perubahan dalam penyerapan dan ciri -ciri pelepasan bahan. Untuk mengurangkan kesan kesan kegelapan foton, adalah perlu untuk mengoptimumkan kepekatan doping serat optik, memperbaiki proses penyediaan serat optik, pilih sumber pam yang sesuai dan keadaan kerja, dll.
③ Keterbatasan bahan serat optik pertengahan inframerah:
Pada masa ini, jenis bahan serat optik yang boleh digunakan dalam band inframerah pertengahan adalah terhad, dan masih terdapat beberapa masalah dalam proses lukisan, sifat optik, dan sifat mekanikal serat optik. Sebagai contoh, walaupun serat kaca fluorida adalah bahan matriks serat optik pertengahan inframerah yang biasa digunakan, tenaga phononnya agak tinggi, yang mengehadkan julat panjang gelombang pelepasan laser; Serat kaca sulfida mempunyai masalah seperti kestabilan kimia yang lemah dan kesukaran dalam persediaan. Oleh itu, adalah perlu untuk terus meneroka dan membangunkan bahan serat optik pertengahan inframerah baru untuk memenuhi keperluan pembangunan laser serat berdenyut pertengahan inframerah.

Kawasan Permohonan Utama
1. Pencitraan Perubatan dan Biologi
① Pembedahan laser
Prinsip: laser pertengahan inframerah (2-5 μm band) boleh diserap dengan kuat oleh molekul air, dan kira-kira 70% tisu manusia adalah air. Ini membolehkan tenaga laser pertengahan inframerah tertumpu di permukaan apabila mereka bersentuhan dengan tisu manusia, mengurangkan kerosakan haba ke tisu sekitarnya. Sebagai contoh, dalam pembedahan ophthalmic, ciri ini boleh digunakan untuk melakukan pemotongan kornea ketepatan tinggi tanpa menyebabkan kerosakan yang tidak perlu pada tisu mata yang lain.
Kelebihan: Berbanding dengan cahaya laser yang kelihatan tradisional atau pembedahan laser inframerah, pembedahan laser pertengahan inframerah mempunyai ketepatan yang lebih tinggi dan kesan terma yang lebih rendah, yang dapat mencapai operasi pembedahan yang lebih halus dan mengurangkan kesakitan dan masa pemulihan pesakit.
② Pencitraan tisu bebas label
Prinsip: Sebagai contoh, teknologi tomografi koheren optik (OCT) menggunakan ciri-ciri penyebaran rendah laser inframerah pertengahan untuk melakukan pencitraan tomografi resolusi tinggi tisu biologi. Apabila cahaya inframerah pertengahan disinari pada tisu, lapisan tisu pada kedalaman yang berbeza akan mencerminkan isyarat cahaya kembali intensiti yang berbeza. Dengan mengumpul dan memproses isyarat ini melalui pengesan, imej struktur tiga dimensi tisu boleh dibina.
Kelebihan: Kaedah pengimejan ini tidak memerlukan pewarnaan atau penandaan tisu, mengelakkan kerosakan dan pencemaran kimia yang kaedah pewarnaan tradisional boleh menyebabkan tisu, dan boleh mendapatkan maklumat dinamik tisu dalam masa nyata, menyediakan alat yang kuat untuk diagnosis awal dan rawatan penyakit.
2. Pemantauan alam sekitar dan penderiaan gas
① Jejak pengesanan gas
Prinsip: Banyak gas jejak (seperti CO₂, CH₄, dan lain-lain) mempunyai puncak penyerapan ciri dalam band pertengahan inframerah. Dengan mensasarkan laser yang dipancarkan oleh laser serat berdenyut pertengahan inframerah pada sampel gas untuk diuji dan mengukur perubahan tenaga selepas gas menyerap cahaya panjang gelombang tertentu, kepekatan gas dapat ditentukan. Sebagai contoh, CO₂ mempunyai puncak penyerapan yang kuat pada 4.26μm. Dengan mengesan pelemahan tenaga laser pada panjang gelombang ini, kepekatan CO₂ dapat disimpulkan.
Kelebihan: Laser serat berdenyut inframerah pertengahan mempunyai ciri-ciri kepekaan yang tinggi dan resolusi tinggi, dan dapat mengesan gas surih pada kepekatan yang sangat rendah, yang sangat penting untuk pemantauan alam sekitar, kawalan proses perindustrian, dan penyelidikan perubahan iklim.
Analisis pencemaran atmosfera
Prinsip: Pencemar di atmosfera (seperti nitrogen oksida, sulfida, dan lain-lain) juga mempunyai ciri-ciri penyerapan yang berbeza dalam band pertengahan inframerah. Dengan mengimbas atmosfera dengan laser serat berdenyut pertengahan inframerah, pengedaran kepekatan pelbagai bahan pencemar dapat dikesan secara serentak. Sebagai contoh, dengan menganalisis penyerapan laser panjang gelombang yang berbeza di atmosfera, peta pengedaran spatial bahan pencemar boleh ditarik.
Kelebihan: Kaedah pengukuran yang jauh dan tidak hubungan ini dapat dengan cepat dan secara meluas mendapatkan maklumat pencemaran atmosfera tanpa mengumpul sampel, menyediakan cara yang efisien untuk perlindungan alam sekitar dan penilaian kualiti udara.
3. Pemprosesan Perindustrian
① Pemprosesan ketepatan polimer/semikonduktor
Prinsip: Laser inframerah pertengahan boleh diserap dengan kuat oleh polimer dan bahan semikonduktor, menyebabkan ikatan molekul di dalam bahan-bahan pecah, dengan itu mencapai penyingkiran atau pengubahsuaian bahan. Semasa proses pemprosesan ketepatan, dengan tepat mengawal parameter laser (seperti lebar nadi, ketumpatan tenaga, dan lain -lain), bahan boleh dipotong, digerudi, terukir, dan operasi lain boleh dilakukan dengan ketepatan yang tinggi. Sebagai contoh, dalam pembuatan cip semikonduktor, laser pertengahan inframerah boleh digunakan untuk mencapai pemprosesan mikro wafer silikon dan meningkatkan integrasi dan prestasi cip.
Kelebihan: Berbanding dengan pemprosesan mekanikal tradisional atau teknologi fotolitografi, pemprosesan laser pertengahan inframerah mempunyai kelebihan yang tidak hubungan, ketepatan tinggi, dan kecekapan yang tinggi, yang boleh mengelakkan tekanan mekanikal dan kerosakan bahan dan meningkatkan kualiti produk dan kebolehpercayaan.
②infrared pemotongan bahan telus
Prinsip: Beberapa bahan telus inframerah (seperti kaca chalcogenide) mempunyai transmisi yang baik di band pertengahan inframerah. Apabila bahan-bahan ini dipotong oleh laser serat berdenyut pertengahan inframerah, tenaga laser diserap di dalam bahan dan ditukar menjadi tenaga haba, menyebabkan bahan itu mencairkan atau menguap sebahagiannya, dengan itu mencapai pemotongan. Dengan menyesuaikan laluan pengimbasan dan parameter laser, bahagian bahan pelbagai bentuk dan saiz boleh dipotong.
Kelebihan: Kaedah pemotongan ini mempunyai kelebihan tepi lancar, ketepatan yang tinggi, dan zon yang terkena haba kecil, yang dapat memenuhi keperluan sistem optik inframerah, aeroangkasa dan bidang lain untuk bahagian bahan telus inframerah yang berprestasi tinggi.
4. Pertahanan dan Keselamatan Negara
①infrared counterure
Prinsip: Dalam aplikasi ketenteraan, laser serat berdenyut pertengahan inframerah boleh digunakan untuk memancarkan rasuk laser inframerah yang tinggi untuk mengganggu atau memusnahkan peralatan pengesanan inframerah musuh, senjata berpandu, dan lain-lain.
Kelebihan: Laser inframerah pertengahan mempunyai ciri-ciri penghantaran atmosfera yang baik dan keupayaan anti-interference yang kuat. Mereka secara berkesan dapat melaksanakan tindak balas inframerah di persekitaran medan perang yang kompleks dan meningkatkan keberkesanan pertempuran dan survivabilitas peralatan ketenteraan.
② radar laser (lidar)
Prinsip: LiDAR mengira jarak, arah, ketinggian dan maklumat lain sasaran dengan memancarkan denyutan laser dan menerima isyarat yang dicerminkan oleh sasaran. Laser serat nadi inframerah pertengahan boleh mencapai jarak jauh dan pengesanan sasaran ketepatan yang lebih tinggi kerana denyutan pendek dan kuasa puncak yang tinggi. Sebagai contoh, dalam aplikasi seperti pemetaan topografi dan pengenalan sasaran, radar laser pertengahan inframerah boleh mendapatkan maklumat sasaran yang lebih terperinci.
Kelebihan: Berbanding dengan radar gelombang mikro tradisional, radar laser pertengahan inframerah mempunyai resolusi dan ketepatan yang lebih tinggi, dapat mengenal pasti dan mengklasifikasikan sasaran dengan lebih baik, dan mempunyai prospek aplikasi penting dalam peninjauan pertahanan, memandu autonomi dan bidang lain.
③ Pengesanan jarak jauh bahan peledak
Prinsip: Banyak bahan peledak (seperti dinamit, dadah, dan lain-lain) mempunyai spektrum ciri dalam band pertengahan inframerah. Gunakan laser serat nadi inframerah pertengahan untuk menerangi sasaran jarak jauh, mengumpul isyarat spektrum yang dicerminkan oleh sasaran, dan menentukan sama ada bahan peledak wujud dengan menganalisis ciri-ciri spektrum. Sebagai contoh, di tempat pemeriksaan keselamatan seperti lapangan terbang dan pelabuhan, peralatan pengesanan jauh laser inframerah pertengahan boleh digunakan untuk memeriksa kakitangan dan bagasi.
Kelebihan: Kaedah pengesanan jauh ini mempunyai kelebihan hubungan, cepat dan tepat. Ia boleh mengesan bahaya keselamatan yang berpotensi tepat pada masanya tanpa menjejaskan operasi biasa, dan memastikan keselamatan awam dan keselamatan sosial.
5. Penyelidikan Saintifik
① Spektroskopi Ultrafast
Prinsip: Spektroskopi Ultrafast mengkaji perubahan dalam ciri -ciri spektrum bahan dalam masa yang sangat singkat (femtosecond, tahap picosecond). Laser serat berdenyut pertengahan boleh menghasilkan laser berdenyut yang sangat pendek, yang boleh digunakan untuk menggembirakan sampel dan mengesan tindak balas spektrum ultrafast mereka. Sebagai contoh, melalui teknologi pam-probe, sampel dipam dengan laser inframerah pertengahan untuk menghasilkan keadaan yang teruja, dan kemudian satu lagi rasuk laser digunakan untuk mengesan perubahan spektrum sampel pada masa kelewatan yang berbeza, untuk mengkaji proses ultrafast seperti keadaan elektronik dan getaran kisi bahan.
Kelebihan: Ia menyediakan kaedah penyelidikan yang kuat untuk bidang seperti kimia, fizik, dan sains bahan, yang membantu untuk memahami struktur dalaman dan proses bahan dinamik.
② manipulasi molekul sejuk
Prinsip: Interaksi antara laser dan molekul pertengahan inframerah boleh digunakan untuk menangkap, memindahkan dan memanipulasi molekul sejuk. Dengan tepat menyesuaikan kekerapan, intensiti dan fasa laser, potensi optik tertentu baik boleh dibentuk untuk memenjarakan molekul sejuk dan merealisasikan kawalan gerakan molekul. Sebagai contoh, dalam bidang pengkomputeran kuantum dan pemprosesan maklumat kuantum, laser pertengahan inframerah boleh digunakan untuk memanipulasi keadaan kuantum molekul sejuk untuk mencapai operasi bit kuantum.
Kelebihan: Ia menyediakan platform eksperimen baru untuk penyelidikan dalam fizik kuantum, fizik kimia dan bidang lain, dan dijangka membuat penemuan penting dalam pengkomputeran kuantum, simulasi kuantum dan aspek lain.
③ Generasi denyutan attosecond
Prinsip: Melalui proses optik nonlinear seperti generasi harmonik tinggi (HHG), laser serat berdenyut pertengahan inframerah dapat menghasilkan denyutan ultrashort pada tahap Attosecond (10⁻¹⁸ saat). Apabila laser inframerah pertengahan berinteraksi dengan atom atau molekul, harmonik pesanan tinggi dihasilkan. Frekuensi harmonik ini berada dalam band ultraviolet yang melampau (XUV), dan lebar nadi mereka dapat mencapai tahap Attosecond.
Kelebihan: Ia memberikan resolusi masa yang sangat tinggi untuk mengkaji proses ultrafast seperti gerakan nuklear dan dinamik elektron, yang membantu untuk terus mendedahkan misteri dunia mikroskopik.

Ringkasnya, laser serat berdenyut pertengahan inframerah telah menunjukkan prospek aplikasi yang luas dan potensi besar dalam bidang pengimejan perubatan dan biologi, pemantauan alam sekitar dan penderiaan gas, pemprosesan perindustrian, pertahanan dan keselamatan negara, dan penyelidikan saintifik. Dengan perkembangan berterusan dan peningkatan teknologi, dipercayai bahawa laser serat berdenyut pertengahan akan memainkan peranan penting dalam lebih banyak bidang dan membawa lebih banyak kebajikan dan kemajuan kepada masyarakat manusia.

Maklumat Perhubungan:

Sekiranya anda mempunyai idea, jangan ragu untuk bercakap dengan kami. Tidak kira di mana pelanggan kami dan apa keperluan kami, kami akan mengikuti matlamat kami untuk menyediakan pelanggan kami dengan berkualiti tinggi, harga yang rendah, dan perkhidmatan terbaik.