Лазеры среднего ИК диапазона спектра: применения

ОКТ202020

Средний инфракрасный (средний ИК) диапазон спектра все еще незнаком для большинства пользователей лазеров, поскольку в этом диапазоне длин волн коммерчески доступно лишь несколько лазеров. Недавно были разработаны новые компактные и универсальные лазеры среднего инфракрасного диапазона, которые открыли новые возможности для инновационных приложений в промышленности, науке, здравоохранении и окружающей среде.

Что такое средний ИК?

Согласно стандарту ISO (ISO: 20473:2007) [1], средний инфракрасный диапазон – это часть электромагнитного спектра, охватывающая длины волн от 3 до 50 мкм. Эта спектральная область часто разделяется на две подобласти: средневолновую инфракрасную область (MWIR), простирающуюся от 3 до 8 мкм, и длинноволновую инфракрасную область (LWIR), простирающуюся от 8 до 15 мкм.

Почему лазеры среднего ИК?

В настоящее время лазеры широко используются для обработки материалов, хирургических процедур, телекоммуникаций, спектроскопии, оборонных приложений и фундаментальных наук. Лазеры среднего ИК диапазона становятся все более привлекательными для исследований и промышленности, поскольку они предлагают беспрецедентные преимущества во всех этих областях применения. И вот почему:

Излучение среднего ИК диапазона может избирательно поглощаться материалами или молекулами

В среднем ИК диапазоне обнаруживаются фундаментальные колебательные резонансы большинства жидкостей, газов и неметаллов, таких как пластмассы, стекла или биологические ткани. Рис. 1 показывает, что сильные полосы поглощения воды, метана, CO₂ и полимеров в основном расположены в средней инфракрасной области. Когда длина волны излучения лазера среднего ИК диапазона перекрывается с этими резонансами, свет избирательно поглощается этими материалами или молекулами. Лучшее поглощение означает лучший контроль, точность, эффективность и скорость для хирургических операций и обработки материалов или лучшую селективность и отношение сигнал/шум для спектроскопии и микроскопии.

Таким образом, лазеры с фиксированной или перестраиваемой длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне находят серьезное применение в инфракрасной спектроскопии [2], включая мониторинг газов в окружающей среде [3] и анализ дыхания [4], а также в микроскопии [5], минимально инвазивной лазерной хирургии [6] и лазерной обработке неметаллов (резка, сверление, обработка поверхности и т.д.). По сравнению с УФ поглощением, избирательная абляция в среднем ИК диапазоне может играть важную роль при лазерной обработке многослойных устройств в электронной, фотонной или медицинской промышленности, где важно обрабатывать определенный слой, не затрагивая другие соседние слои.

Рис. 1. Полосы поглощения важных молекул и материалов.

Излучение среднего ИК диапазона может передаваться на большие расстояния в атмосфере

Средний ИК диапазон также содержит два основных окна прозрачности атмосферы (области 3 – 5 мкм и 8 – 12 мкм), где наблюдается очень низкое поглощение основными составляющими атмосферы, как показано на рис. 2. В этих спектральных лазерное излучение окнах может распространяться на большие расстояния, что позволяет использовать их в обороне (например, ракетное противодействие [7]) и в связи на больших открытых расстояниях [8].

Рис. 2. Пропускание атмосферы выше в средней ИК области спектра. Изображение взято из [9].

Лазеры среднего ИК диапазона являются идеальными научными инструментами

Лазеры среднего ИК диапазона также являются идеальным лабораторным инструментом для научных приложений, включая нелинейную оптику, кремниевую фотонику, квантовую оптику [10], физику полей высокой напряженности [11], частотные гребенки [12] и генерацию суперконтинуума [13]. Эти передовые приложения, безусловно, приведут к новым захватывающим открытиям в области лазеров, которые будут переведены на реальные применения.

Фотонные интегральные схемы в среднем ИК

 Фотонные интегральные схемы (PIC) считаются одной из самых многообещающих фотонных технологий 21 века. И волоконные лазеры среднего инфракрасного диапазона могут сыграть значительную роль в развитии этих технологий.

Появление интегрированной фотоники

 Полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, являются одними из наиболее широко используемых материалов в электронной промышленности. Недавно были предприняты усилия по адаптации литейных предприятий КМОП для разработки интегрированных фотонных устройств, что в настоящее время является одной из основных тенденций в фотонной индустрии. Благодаря использованию фотонов вместо электронов фотонные интегральные схемы (PIC) на основе кремния, германия или других полупроводниковых материалов позволяют разрабатывать сверхкомпактные недорогие приемопередатчики, переключатели и датчики с более высокими возможностями, чем их электронные аналоги. Эти устройства, вероятно, сыграют важную роль в наступающей эре «Интернета вещей» (IoT).

Рис. 3. Фотонная интегральная схема. Фото предоставлено с позволения Wei Shi, университет Лаваля [14].

Уже сейчас можно с уверенностью сказать, что средняя ИК область спектра предоставляет значительные возможности для роста фотонных интегральных схем, особенно для сенсорных и нелинейных приложений.

Сенсорные приложения

Средний ИК диапазон охватывает наиболее важные спектральные характеристики молекул, что делает эту полосу идеальной для молекулярного зондирования. Таким образом, PIC можно оптимизировать для разработки компактных датчиков, встроенных в ту же микросхему, для мониторинга окружающей среды, управления производственными процессами или даже медицинской диагностики.

Рис. 4. Спектральные характеристики важных газовых примесей. Адаптированное изображение из [15].

Нелинейная оптика

Кремний и германий – сильные нелинейные материалы, которые в основном прозрачны в среднем ИК диапазоне. Более того, волноводная природа фотонных интегральных схем приводит к сильному ограничению света, распространяющегося внутри устройства. Новые нелинейные эффекты, такие как четырехволновое смешение, стимулированное рамановское рассеяние и рассеяние Бриллюэна, могут быть значительно усилены за счет бесконечной гибкости конструкции PIC в среднем ИК диапазоне. Например, компактный суперконтинуум и оптические частотные гребенки уже были продемонстрированы с помощью нелинейных PIC [16, 17]. К сожалению, эти нелинейные эффекты ослабляются поглощением и дисперсией свободных носителей в результате двухфотонного поглощения (TPA) в волноводе, когда в эксперименте используются лазеры ближнего инфракрасного диапазона (длина волны <2.2 мкм). Таким образом, эту серьезную проблему можно было бы обойти, используя лазеры среднего ИК диапазона, излучающие на длине волны более 2.5 мкм.

Рис. 5. Компактный нелинейный микрорезонатор в масштабе микросхемы. Адаптированное изображение из [18].

Волоконные лазеры среднего ИК диапазона для приложений "лаборатория на кристалле"

До сих пор демонстрации фотонных интегральных схем в среднем инфракрасном диапазоне ограничены из-за отсутствия простых, компактных и мощных лазеров в среднем инфракрасном диапазоне.

В Femtum мы решаем эту ограничивающую проблему, предлагая первые волоконные лазеры и усилители в среднем инфракрасном диапазоне. Наши лазеры и усилители генерируют мощное, электронно перестраиваемое излучение в диапазоне от 2.8 до 3.6 мкм и обеспечивают гибкость и простоту, которые позволяют исследователям сосредоточиться на своих приложениях «лаборатория на кристалле» в среднем ИК диапазоне. Благодаря доставке излучения по волокну и почти идеальному качеству выходного пучка лазеры серии Femtum могут быть эффективно связаны с фотонными интегральными схемами. Усилители среднего ИК диапазона серии Femtum также можно использовать в паре с существующими полупроводниковыми или межзонными каскадными лазерами, чтобы повысить оптическую мощность и сделать установку еще более надежной и компактной.

Рис. 6. Относительное пропускание объема кремния (красный) и германия (синий). Спектральная область, где в кремнии преобладает двухфотонное поглощение (TPA), также выделена красным. Таким образом, область излучения лазеров серии Femtum (выделена зеленым) является идеальной полосой для интегрированной фотоники среднего ИК диапазона.

Ссылки

1. 20473:2007, Optics and Photonics – Spectral bands
2. J. Haas and B. Mizaikoff, "Advances in mid-infrared spectroscopy for chemical analysis". Annual Review of Analytical Chemistry, 2016, vol. 9, p. 45-68.
3. F.K. Tittel, "Mid-infrared Laser Based Gas Sensor Technologies for Environmental Monitoring, Medical Diagnostics, Industrial and Security Applications", In Terahertz and Mid Infrared Radiation: Detection of Explosives and CBRN (Using Terahertz), 2014.
4. B. Henderson et al., "Laser spectroscopy for breath analysis: towards clinical implementation", Applied physics B, 2018, vol. 124, p. 1-21.
5. M. A. Pleitez et al., "Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in livings cells", Nature biotechnology, 2019, vol. 38, p. 293-296.
6. S. Amini-Nik et al., "Ultrafast Mid-IR laser scalpel: Protein signals of the fundamental limits to minimally invasive surgery, PLOS ONE, 2010, vol. 5, p. e13053.
7. J. Hecht, "Photonic Frontiers: Laser countermeasures: scaling down mid-IR laser countermeasures for smaller aircraft", Laser focus world, 2014.
8. N. S. Prasad, "Optical communications in the mid-wave IR spectral band". In: Free-space laser communications. Optical and fiber communications reports, 2005, vol 2, p. 347-391.
9. Infrared windows
10. L. M. Rosenfeld, "Mid-infrared quantum optics in silicon", arXiv:1906.10158, 2019.
11. T. Popmintchev et al., "Bright coherent ultrahigh harmonics in the keV X-ray regime from mid-infrared femtosecond lasers", Science, 2012, vol. 336, p. 1287-1291.
12. A. Schliesser et al., "Mid-infrared frequency combs", Nature Photonics, 2012, vol. 6, p. 440-449.
13. L.R. Robichaud et al., "High-power supercontinuum generation in the mid-infrared pumped by a soliton self-frequency shifted source", Optics Express, 2020, vol. 28, p. 107-115.
14. https://www.photon.ulaval.ca
15. M. Vainio and L. Halonen, "Mid-infrared optical parametric oscillators and frequency combs for molecular spectroscopy". Phys. Chem. Chem. Phy. 18 (2016), p. 4266-4294.
16. N. Nader et al., “Infrared frequency comb generation and spectroscopy with suspended silicon nanophotonic waveguides”, Optica 6 (2019), p. 1269-1276.
17. N. Nader et al., “Infrared frequency comb generation and spectroscopy with suspended silicon nanophotonic waveguides”, Optica 6 (2019), p. 1269-1276.
18. T. J. Kippenberg et al., "Dissipative Kerr solitons in optical microresonnators", Science 361 (2018), p. 1-11.