Источником суперконтинуума (СК) обычно является импульсный лазер (в наносекундном, пикосекундном или фемтосекундном режиме), излучение которого преобразуется в оптический сигнал с очень широким спектром, как показано на рис. 1. По сравнению со стандартными освещающими широкополосными источниками света, такими как лампа, светодиод или даже солнце – лазерные источники суперконтинуума обладают одним из самых больших преимуществ: их излучение является направленными и, в некоторых случаях, когерентными. Таким образом, этот тип лазерного излучения можно эффективно вводить и направлять в оптоволокне, коллимировать на большие расстояния или даже фокусировать в очень маленькие пятна, что значительно увеличивает их яркость по сравнению с другими широкополосными источниками.

Рис. 1. Схема источника суперконтинуума в среднем ИК диапазоне спектра с полосами поглощения воды (H₂O), метана (CH₄) и углекислого газа (CO₂).

Как создать суперконтинуум в среднем ИК диапазоне?

Суперконтинуум возникает в результате нелинейных процессов в сильно нелинейной среде в очень ограниченном пространстве, где интенсивность излучения лазера накачки высока. Такой процесс зависит от свойств входящего лазерного излучения, а также от дисперсии и нелинейных свойств среды [1]. Физические механизмы, участвующие в генерации суперконтинуума, очень сложны и являются предметом интенсивных исследований в области нелинейной оптики. Двумя основными методами создания источника СК среднего ИК диапазона являются следующие:

Прямая накачка в среднем ИК: Метод заключается в фокусировке лазера среднего ИК диапазона с высокой пиковой мощностью и коротким импульсом в высоконелинейную среду, такую как халькогенидные волокна, германий, кремний и т. д. Сложность этого метода заключается в основном в доступности простого короткоимпульсного лазера накачки среднего ИК-диапазона. Кроме того, высокая когерентность и высокая стабильность от импульса к импульсу могут быть достигнуты, когда фемтосекундные лазеры сочетаются с нелинейными средами с нормальной дисперсией.
Каскадные процессы в оптических волокнах: Этот метод заключается во введении излучения нс или пс лазера накачки, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне спектра в ряд пассивных или активных волокон с расширенным пропусканием в среднем ИК диапазоне. Несмотря на то, что лазеры, работающие в ближнем ИК-диапазоне, очень дешевы и просты, только небольшая часть преобразованного света успешно достигает средней ИК области спектра. Новые эффективные волоконно-оптические усилители могут значительно увеличить этот коэффициент преобразования до среднего ИК диапазона.

Каковы применения суперконтинуума в среднем ИК диапазоне?

Средняя инфракрасная область спектра является наиболее интересной областью для развития источников СК, поскольку она содержит фундаментальные линии поглощения нескольких материалов и молекул. Таким образом, СК-лазеры среднего ИК диапазона находят применение в основном в визуализации и спектроскопии. Ниже представлены некоторые из наиболее многообещающих приложений.

Оптическая когерентная томография

Оптическая когерентная томография (ОКТ) – это метод визуализации, в котором используются свойства рассеяния света в диффузной среде для изображения объектов в объеме с очень высокой точностью. Этот метод в основном используется для медицинской визуализации и промышленного неразрушающего контроля (NDT).

Оптическая когерентная томография в среднем ИК диапазоне позволяет достичь большей глубины проникновения и повысить разрешение по сравнению с традиционной ОКТ в ближнем ИК диапазоне [2]. Основная причина проста: на более длинных волнах происходит меньше потерь на рассеяние.

Как показано на рис. 2, электронные микросхемы внутри кредитной карты Mastercard или Visa состоят из сильно рассеивающих полимерных слоев, кремниевого микропроцессора и небольших схем, которые можно лучше визуализировать в объеме с помощью СК источника среднего ИК диапазона по сравнению со стандартным источником ближнего ИК диапазона ОКТ визуализации.

Рис. 2. Трехмерная визуализация электронного чипа внутри кредитной карты с помощью ОКТ среднего ИК. На рис. 2d представлено сравнение ОКТ изображений при использовании СК источника среднего и ближнего ИК диапазона, что подчеркивает преимущество такого подхода. Изображение взято из [2].

Гиперспектральная визуализация

С другой стороны, отчетливые особенности ИК поглощения материалов и биологических тканей дают еще одно применение для диагностики в микроскопии и биоимиджинге. Методы гиперспектральной визуализации, основанные на источниках суперконтинуума, собирают пространственную и спектральную информацию о материалах с гораздо большим отношением сигнал/шум, чем стандартные методы формирования изображений в ИК диапазоне, основанные на FTIR методе, из-за высокой яркости этих лазеров. Это большое преимущество, когда разные типы материалов или тканей должны быть отсортированы или дифференцированы на одном изображении для обнаружения рака или других аномалий [3]. На рис. 3 показан пример мультиспектрального изображения ткани толстой кишки, полученного с помощью СК среднего ИК диапазона, в сравнении с видимым и конфокальным изображениями.

Рис. 3. Визуализация ткани толстой кишки. (a) конфокальная визуализация; (b) визуализация в видимом свете; (c), (d) и (e) спектральная визуализация на разных длинах волн СК; (f) составное изображение, показывающее спектрально-пространственное отображение изображений (c), (d) и (e). Изображение взято из [3].

Дистанционное зондирование

Лазеры суперконтинуума среднего ИК диапазона также находят применение в дистанционном обнаружении и идентификации нескольких газов в объеме из-за их широкополосной природы, которая может покрывать фундаментальное поглощение наиболее распространенных газов, таких как CO₂, метан, аммиак и т. д. Эти источники, таким образом, могут использоваться для контроля выбросов парниковых газов на нефтеперерабатывающих заводах или других промышленных объектах. Упрощенный пример такого применения представлен на рис. 4. Источники СК также используются для дистанционного обнаружения и определения характеристик систем сгорания [4] или взрывчатых веществ [5].

Рис. 4. Упрощенная схема мониторинга парниковых газов (CO₂, метан и др.), исходящих из промышленных зданий.

Средства ИК противодействия

Окно пропускания атмосферы 3-5 мкм представляет интерес для оборонных приложений. Некоторые из самых последних ракет с тепловым наведением включают инфракрасные детекторы, которые направляют эти ракеты на конкретную цель.

Детекторы, используемые в таких ракетах, очень чувствительны к высокотемпературным деталям летательных аппаратов, таким как роторы или сопла, у которых излучение абсолютно черного тела составляет около 4 мкм.

Один из способов противодействовать таким ракетам и заставить их не попасть в цель – это ослепить их встроенные детекторы с помощью широкополосных мощных источников СК среднего ИК диапазона [6]. Эти системы направленного противодействия ИК-средствам (DIRCM), которые включают в себя СК лазер, размещаются на бортовых транспортных средствах аналогично тому, как показано на рис. 5, и имеют вращающуюся установку для сканирования очень большого пространства вокруг самолета или вертолета.

Рис. 5. Схематический пример системы DIRCM, закрепленной в нижней части самолета. Ракета, ослепленная СК источником среднего ИК диапазона, отклоняется от траектории и не попадает в цель. Изображение взято из [7].

Сверхбыстрая фотоника

Наконец, что не менее важно, СК источники среднего ИК диапазона также широко используются или изучаются в оптических лабораториях для стабилизации частотных гребенок [8] или генерации импульсов с небольшим периодом в среднем ИК диапазоне [9]. Для большинства этих приложений решающее значение имеют свойства когерентности суперконтинуума среднего ИК диапазона спектра.

Каковы требования для большинства применений?

Для перечисленных выше применений требуются компактные и недорогие источники суперконтинуума с высокой яркостью (высокая энергия импульса или средняя мощность), высокой спектральной когерентностью (только в некоторых приложениях) и высокой стабильностью от импульса к импульсу.

Компания Femtum помогает в достижении этих требований с помощью своих импульсных волоконных лазерных источников и усилителей для генерации широкополосного излучения суперконтинуума среднего инфракрасного диапазона спектра.

Ссылки

J. M. Dudley et al., "Supercontinuum generation in photonic crystal fiber", Reviews of modern physics, 2006, vol. 78, p. 1135 - 1184.
N. M. Israelsen et al., "Real-time high-resolution mid-infrared optical coherence tomography", Light: science & applications, 2019, vol. 8, p. 1-13.
C.R. Petersen et al., "Mid-infrared multispectral tissue imaging using a chalcogenide fiber supercontinuum source", Optics Letters, 2018, vol. 43, p.999-1002.
T. Werblinski et al., "Supercontinuum based absorption spectrometer for cycle-resolved multiparameter measurements in a rapid compression machine", Applied Optics, vol. 55, p. 4564-4574.
M. Kumar et al., "Stand-off detection of solid targets with diffuse reflection spectroscopy using a high-power mid-infrared supercontinuum source", Applied optics, vol. 51, p. 2794-2807.
H.H.P.T. Bekman et al., "Development of a mid-infrared laser for study of infrared countermeasures techniques", Proc. SPIE 5615, 2004, p. 27-38.
https://www.intelligent-aerospace.com/commercial/article/16538271/elbit-systems-wins-265-million-contract-to-supply-advanced-infrared-countermeasure-systems-for-widebody-jets
D. D. hickstein et al., "Ultrabroadband supercontinuum generation and frequency-comb stabilization using on-chip waveguides with both cubic and quadratic nonlinearities", Physical Review Applied, vol. 8, 2017, p. 014025-1 - 014025-8.
R. I. Woodward et al., "Generation of 70-fs pulses at 2.86 um from a mid-infrared fiber laser", Optics Letters, 2017, vol. 42, p. 4893-4896.

Распечатать статью или скачать PDF