کاربردهای لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه

لیزر مادون قرمز میانهاشاره به امواج الکترومغناطیسی با طول موج در باند 3000m ~ 1000μm ؛ در زمینه فناوری لیزر ، مادون قرمز میانه به طور کلی به عنوان باند 2μm ~ 5μm تعریف می شود. لیزرهای مادون قرمز میانه دارای دامنه طول موج منحصر به فرد و خصوصیات جذب مولکولی هستند و برای انواع سناریوهای کاربردی مناسب هستند. در حالی که لیزرهای فیبر پالس شده پتانسیل کاربرد گسترده ای را در پردازش صنعتی و سایر زمینه ها با مزایای آنها مانند کیفیت پرتوهای بالا ، پایداری خوب و ساختار جمع و جور نشان داده اند.

باند مادون قرمز میانه حاوی دو پنجره انتقال جوی اصلی (5 μ 5 میکرومتر و منطقه 12 میکرومتر 8) است. در این باندها ، جذب اجزای اصلی در جو بسیار کم است ، بنابراین می توان انتقال مسافت طولانی را بدست آورد که برای سنجش از دور ، تشخیص و سایر زمینه ها مناسب است.
باند مادون قرمز میانه در منطقه رزونانس لرزش اساسی اکثر مولکول ها واقع شده است و بسیاری از مایعات ، گازها و مواد غیر فلزی دارای جذب قوی از نور مادون قرمز هستند. این ویژگی باعث می شود که لیزرهای مادون قرمز میانه کاربردهای مهمی در تجزیه و تحلیل طیفی ، نظارت بر محیط زیست ، تشخیص پزشکی و سایر زمینه ها داشته باشند.

فن آوری های کلیدی لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه
1. انتخاب متوسط ​​را بدست آورید
fiber نادر زمین دوپ:
er³⁺ (یون Erbium): معمولاً برای دستیابی به خروجی لیزر در باند 2.8 میکرومتر 2.7 μ ، مناسب برای پزشکی ، سنجش از راه دور جوی و سایر زمینه ها استفاده می شود. ساختار سطح انرژی آن باعث می شود لیزرهای مادون قرمز میانه تحت شرایط خاص پمپاژ تولید شود.
HO³⁺ (یون هولمیوم): می تواند لیزر را در باند 2. 1}}} ~ 2.1 میکرومتر باند تولید کند ، که اغلب با یونهای دیگر (مانند دوپ با PR³⁺) دوپ می شوند تا عملکرد لیزر را بهینه کنند. این باند در پنجره انتقال جوی است ، برای چشمان انسان ایمن است و در رادار لیزر و سایر زمینه ها دارای ارزش کاربردی است.
tm³⁺ (یون توولیوم): می تواند لیزر را در باند 2.3 میکرومتر تولید کند ، که برای تجزیه و تحلیل و کاربردهای طیفی خاص خاص است.
conversion تبدیل فرکانس غیرخطی:
OPO (نوسان ساز پارامتری نوری): بر اساس فرآیند تقویت پارامتری در کریستال های غیرخطی ، انرژی نور پمپ به نور سیگنال و نور بیکار تبدیل می شود. با انتخاب کریستال های غیرخطی مناسب و طرح های نوسان ساز ، می توان خروجی لیزر در باند مادون قرمز میانه را بدست آورد و تنظیم را می توان در یک محدوده طول موج گسترده تر به دست آورد.
DFG (پراکندگی رامان تحریک شده): لیزرهای مادون قرمز میانه با استفاده از اثر پراکندگی رامان تولید می شوند. با تنظیم پارامترهای نور پمپ و ویژگی های محیط رامان ، خروجی های لیزر مادون قرمز میانی با طول موج های مختلف قابل دستیابی است ، اما معمولاً قدرت پمپ بالاتر مورد نیاز است.
2. مکانیسم تولید پالس
technology فن آوری سوئیچینگ:
فعال کردن Q فعال: از دست دادن یا قدرت پمپ لیزر توسط یک سیگنال مدولاسیون خارجی کنترل می شود ، به طوری که تراکم فوتون در حفره لیزر به صورت دوره ای تغییر می کند ، در نتیجه تولید لیزر پالس ایجاد می کند. به عنوان مثال ، لیزر با استفاده از مؤلفه هایی مانند یک تعدیل کننده آکوستیک-نوری یا یک تعدیل کننده الکترو نوری برای تولید پالس تعدیل می شود. این روش می تواند به طور دقیق فرکانس تکرار و عرض پالس پالس را کنترل کند ، اما به تجهیزات مدولاسیون اضافی نیاز دارد ، که باعث افزایش پیچیدگی سیستم می شود.
سوئیچینگ Q منفعل: از ویژگی های جذب غیرخطی اجزای منفعل مانند جاذب های اشباع برای تعدیل تراکم فوتون در حفره لیزر استفاده می شود. هنگامی که چگالی فوتون به یک آستانه خاص می رسد ، ضریب جذب تغییرات جاذب اشباع شده ، از این طریق از بین رفتن حفره لیزر و تولید لیزرهای پالس شده تغییر می کند. سوئیچ q منفعل یک ساختار ساده و کم هزینه دارد ، اما فرکانس تکرار و عرض پالس پالس برای کنترل نسبتاً دشوار است.
② فناوری قفل کردن حالت:
قفل حالت جذب قابل اشباع مواد (MSA): مواد با ویژگی های جذب غیرخطی نوری به عنوان دستگاه های قفل کننده حالت ، مانند آینه های جاذب قابل اشباع نیمه هادی تجاری (SESAM) و نانومواد جدید (مانند گرافن ، نانولوله های کربن و غیره) استفاده می شوند. این مواد برای نور ضعیف و انتقال زیاد برای نور قوی جذب شدیدی دارند ، در نتیجه دستیابی به پالس داخل جمعی و تولید پالس های قفل شده با حالت.
قفل کردن حالت قطبش غیرخطی (NPR) قفل کردن حالت: با کمک اثر KERR غیرخطی خود فیبر نوری ، تغییر فاز غیرخطی مختلف در جهت های مختلف قطبی سازی به نور اعمال می شود. تحت عمل دستگاه قطبش داخل جمعی ، حفره رزونانس ویژگی هایی مشابه جذب اشباع را نشان می دهد و از این طریق به قفل کردن حالت می رسد. این فناوری با شکاف باند و زمان آرامش از مواد محدود نمی شود ، دارای ویژگی های بازیابی فوق العاده سریع و عمق مدولاسیون بالا و آستانه آسیب است و برای تولید پالس فموتوس ثانیه با قدرت بالا مناسب است.
بازخورد تغییر فرکانس (FSF) قفل حالت: از طریق یک مکانیسم بازخورد خاص ، فرکانس بخشی از نور خروجی تغییر یافته و به حفره لیزر تغذیه می شود و با میدان نور در حفره تعامل می یابد تا یک توالی پالس قفل شده با حالت پایدار ایجاد شود. این روش قفل کردن حالت می تواند به فرکانس تکرار بالا و عرض پالس باریک پالس دست یابد.
3. چالش های اصلی
management مدیریت حرارتی:
لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه در حین کار گرمای زیادی ایجاد می کنند. اگر گرما به موقع و به طور مؤثر از بین نرود ، منجر به مشکلاتی مانند تخریب عملکرد لیزر و آسیب فیبر می شود. بنابراین ، لازم است فناوری اتلاف گرما و اقدامات مدیریت حرارتی کارآمد ، مانند استفاده از مواد ماتریس فیبر با هدایت حرارتی بالا ، طراحی ساختارهای اتلاف حرارت معقول و استفاده از دستگاه های خنک کننده برای اطمینان از عملکرد پایدار لیزر ، لازم باشد.
effect اثر تاریک شدن فوتون:
در شرایط پمپاژ با قدرت بالا ، اثر تاریک شدن فوتون در الیاف نوری نادر از زمین دوپ بر عملکرد و عمر لیزر تأثیر می گذارد. تاریک شدن فوتون به این پدیده اشاره دارد که وقتی ماده لیزر با نور قوی تابش می شود ، الکترون های تولید شده توسط تحریک نور توسط مرکز تله ضبط می شوند و در نتیجه تغییر در ویژگی های جذب و انتشار مواد ایجاد می شود. به منظور کاهش تأثیر اثر تاریک شدن فوتون ، لازم است غلظت دوپینگ فیبر نوری ، بهبود فرآیند آماده سازی فیبر نوری ، یک منبع پمپ مناسب و شرایط کار و غیره را انتخاب کنید.
③ محدودیت مواد فیبر نوری مادون قرمز:
در حال حاضر ، انواع مواد فیبر نوری که می توانند در باند مادون قرمز میانه مورد استفاده قرار گیرند ، محدود هستند و هنوز هم برخی از مشکلات در فرآیند ترسیم ، خصوصیات نوری و خصوصیات مکانیکی فیبر نوری وجود دارد. به عنوان مثال ، اگرچه فیبر شیشه ای فلوراید یک ماده ماتریس نوری مادون قرمز است که از آن استفاده می شود ، انرژی فون آن نسبتاً زیاد است ، که دامنه طول موج انتشار لیزر را محدود می کند. فیبر شیشه ای سولفید دارای مشکلاتی مانند ثبات شیمیایی ضعیف و مشکل در تهیه است. بنابراین ، لازم است که به طور مداوم مواد فیبر نوری مادون قرمز مادون قرمز را به طور مداوم کشف و توسعه دهید تا نیازهای توسعه لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز را برآورده سازد.

مناطق اصلی کاربرد
1. تصویربرداری پزشکی و بیولوژیکی
① جراحی لیزر
اصل: لیزرهای مادون قرمز میانه (باند {1}} میکرومتر) را می توان به شدت توسط مولکول های آب جذب کرد و حدود 70 ٪ از بافت انسان آب است. این اجازه می دهد تا انرژی لیزرهای مادون قرمز در هنگام تماس با بافت انسان روی سطح متمرکز شود و باعث کاهش آسیب حرارتی به بافت های اطراف شود. به عنوان مثال ، در جراحی چشمی ، این ویژگی می تواند برای انجام برش قرنیه با دقت بالا بدون ایجاد آسیب غیرضروری به سایر بافت های چشم استفاده شود.
مزایا: در مقایسه با جراحی سنتی مرئی یا جراحی لیزر مادون قرمز نزدیک ، جراحی لیزر مادون قرمز دارای دقت بالاتری و اثرات حرارتی پایین تر است که می تواند به عملیات جراحی ظریف تری برسد و درد و زمان بهبودی بیماران را کاهش دهد.
im تصویربرداری از بافت بدون برچسب
اصل: به عنوان مثال ، فناوری توموگرافی انسجام نوری (OCT) از ویژگی های پراکندگی کم لیزرهای مادون قرمز میانه برای انجام تصویربرداری توموگرافی با وضوح بالا از بافت های بیولوژیکی استفاده می کند. هنگامی که نور مادون قرمز میانه بر روی بافت ها تابش می شود ، لایه های بافتی در اعماق مختلف سیگنال های نور کمر از شدت های مختلف را منعکس می کنند. با جمع آوری و پردازش این سیگنال ها از طریق ردیاب ها ، می توان یک تصویر ساختاری سه بعدی از بافت ساخته شد.
مزایا: این روش تصویربرداری نیازی به رنگ آمیزی یا علامت گذاری بافت ها ندارد ، از آسیب و آلودگی شیمیایی که روش های رنگ آمیزی سنتی ممکن است برای بافت ها ایجاد کند ، جلوگیری می کند و می تواند اطلاعات پویا از بافت ها را در زمان واقعی بدست آورد و یک ابزار قدرتمند برای تشخیص زودرس و درمان بیماری ها فراهم می کند.
5. نظارت بر محیط زیست و سنجش گاز
① ردیابی گاز ردیابی
اصل: بسیاری از گازهای ردیابی (مانند Co₂ ، Ch₄ و غیره) قله های جذب مشخصه ای در باند مادون قرمز میانه دارند. با هدف لیزر ساطع شده توسط لیزر فیبر پالس مادون قرمز در نمونه گاز مورد آزمایش و اندازه گیری تغییر انرژی پس از جذب گاز نور از طول موج خاص ، غلظت گاز را می توان تعیین کرد. به عنوان مثال ، Co₂ دارای اوج جذب قوی در 4.26μm است. با تشخیص میرایی انرژی لیزر در این طول موج ، غلظت CO₂ را می توان استنباط کرد.
مزایا: لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز در میانی دارای ویژگی های حساسیت و وضوح بالا هستند و می توانند گازهای ردیابی را در غلظت های بسیار کم تشخیص دهند ، که از اهمیت زیادی برای نظارت بر محیط زیست ، کنترل فرآیند صنعتی و تحقیقات تغییر آب و هوا برخوردار است.
analysis تجزیه و تحلیل آلودگی جوی
اصل: آلاینده های موجود در جو (مانند اکسیدهای نیتروژن ، سولفیدها و غیره) نیز دارای ویژگی های جذب متفاوتی در باند مادون قرمز میانه هستند. با اسکن جو با لیزر فیبر پالس مادون قرمز در وسط ، توزیع غلظت آلاینده های متعدد را می توان همزمان تشخیص داد. به عنوان مثال ، با تجزیه و تحلیل جذب لیزرهای طول موج های مختلف در جو ، می توان نقشه توزیع مکانی آلاینده ها را ترسیم کرد.
مزایا: این روش اندازه گیری از راه دور و غیر تماس می تواند به سرعت و به طور گسترده اطلاعات آلودگی جوی را بدون جمع آوری نمونه ها بدست آورد و وسیله ای کارآمد برای حفاظت از محیط زیست و ارزیابی کیفیت هوا فراهم کند.
3. پردازش صنعتی
① پردازش دقیق پلیمر/نیمه هادی
اصل: لیزرهای مادون قرمز میانه می توانند توسط پلیمرها و مواد نیمه هادی به شدت جذب شوند و باعث شکسته شدن پیوندهای مولکولی در داخل مواد می شوند و از این طریق به حذف یا اصلاح مواد می رسند. در طی فرآیند پردازش دقیق ، با کنترل دقیق پارامترهای لیزر (مانند عرض پالس ، چگالی انرژی و غیره) ، می توان مواد را برش داد ، حکاکی کرد ، حکاکی کرد و سایر عملیات را می توان با دقت بالایی انجام داد. به عنوان مثال ، در ساخت تراشه نیمه هادی ، از لیزرهای مادون قرمز میانه می توان برای دستیابی به فرآیند میکرو ویفرهای سیلیکون و بهبود ادغام و عملکرد تراشه ها استفاده کرد.
مزایا: در مقایسه با پردازش مکانیکی سنتی یا فناوری فوتولیتوگرافی ، پردازش لیزر مادون قرمز میانه مزایای عدم تماس ، دقت بالا و راندمان بالا را دارد که می تواند از استرس مکانیکی و آسیب به مواد و بهبود کیفیت و قابلیت اطمینان محصول جلوگیری کند.
cut برش مواد شفاف مادون قرمز
اصل: برخی از مواد شفاف مادون قرمز (مانند شیشه کالکوژنید) انتقال خوبی در باند مادون قرمز میانه دارند. هنگامی که این مواد توسط لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز مادون قرمز برش داده می شوند ، انرژی لیزر در داخل مواد جذب می شود و به انرژی گرما تبدیل می شود و باعث می شود مواد تا حدی ذوب یا تبخیر شوند و از این طریق به برش می رسند. با تنظیم مسیر اسکن و پارامترهای لیزر ، قسمت های مواد با اشکال و اندازه های مختلف را می توان برش داد.
مزایا: این روش برش دارای مزایای لبه های صاف ، دقت بالا و منطقه تحت تأثیر گرما است که می تواند نیازهای سیستم های نوری مادون قرمز ، هوافضا و سایر زمینه ها را برای قطعات مواد شفاف مادون قرمز با کارایی بالا برآورده کند.
4. دفاع و امنیت ملی
اقدامات متقابل مادون قرمز
اصل: در کاربردهای نظامی ، از لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه می توان برای انتشار پرتوهای لیزر مادون قرمز با قدرت بالا برای تداخل یا از بین بردن تجهیزات تشخیص مادون قرمز دشمن ، سلاح های هدایت شده و غیره استفاده کرد. به عنوان مثال ، با انتشار لیزرها با همان طول موج کار به عنوان سیستم تلفنی دشمن ، از سیستم شناسایی مادربزرگ ، از آن محافظت می شود و از این طریق یک نفر از آنها محافظت می شود و از این طریق نامشخص است و از این طریق نامشخص است.
مزایا: لیزرهای مادون قرمز میانه دارای ویژگی های انتقال جوی خوب و قابلیت های ضد مداخله قوی هستند. آنها می توانند اقدامات متقابل مادون قرمز را در محیط های پیچیده نبرد انجام دهند و اثربخشی مبارزه و زنده ماندن تجهیزات نظامی را بهبود بخشند.
② رادار لیزر (لیدر)
اصل: LIDAR با انتشار پالس های لیزر و دریافت سیگنال های منعکس شده توسط هدف ، فاصله ، جهت ، ارتفاع و سایر اطلاعات هدف را محاسبه می کند. لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه می توانند به دلیل پالس های کوتاه و قدرت اوج بالا ، به مسافت طولانی تر و تشخیص هدف با دقت بیشتری برسند. به عنوان مثال ، در برنامه هایی مانند نقشه برداری توپوگرافی و شناسایی هدف ، رادار لیزر مادون قرمز میانه می تواند اطلاعات هدف دقیق تری را بدست آورد.
مزایا: در مقایسه با رادارهای سنتی مایکروویو ، رادارهای لیزر مادون قرمز میانه دارای وضوح و دقت بالاتری هستند ، می توانند اهداف را بهتر شناسایی و طبقه بندی کنند و چشم انداز کاربرد مهمی در شناسایی دفاعی ، رانندگی خودمختار و سایر زمینه ها داشته باشند.
③ تشخیص از راه دور مواد منفجره
اصل: بسیاری از مواد منفجره (مانند دینامیت ، مواد مخدر و غیره) در گروه مادون قرمز مادون قرمز دارای طیف مشخصه ای هستند. برای روشنایی اهداف از راه دور ، جمع آوری سیگنال های طیفی منعکس شده توسط اهداف ، از لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز استفاده کنید و تعیین کنید که آیا مواد منفجره با تجزیه و تحلیل خصوصیات طیفی وجود دارد. به عنوان مثال ، در مکان های بازرسی امنیتی مانند فرودگاه ها و بنادر ، می توان از تجهیزات تشخیص از راه دور لیزر مادون قرمز برای بازرسی پرسنل و چمدان استفاده کرد.
مزایا: این روش تشخیص از راه دور مزایای عدم تماس ، سریع و دقیق را دارد. این می تواند به موقع خطرات ایمنی بالقوه را بدون تأثیرگذاری بر عملیات عادی تشخیص دهد و از امنیت عمومی و امنیت اجتماعی اطمینان حاصل کند.
5. تحقیقات علمی
① طیف سنجی Ultrafast
اصل: طیف سنجی Ultrafast تغییرات در خصوصیات طیفی مواد را در یک زمان بسیار کوتاه بررسی می کند (Femtosecond ، سطح Picosecond). لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه می توانند لیزرهای پالس بسیار کوتاه تولید کنند ، که می تواند برای تحریک نمونه ها و تشخیص پاسخ های طیفی فوق العاده آنها استفاده شود. به عنوان مثال ، از طریق فناوری پمپ پروب ، نمونه با یک لیزر مادون قرمز میانه برای تولید یک حالت هیجان زده پمپ می شود و سپس از پرتو لیزر دیگری برای تشخیص تغییرات طیفی نمونه در زمان های مختلف تأخیر استفاده می شود ، به طوری که برای مطالعه فرآیندهای ultrafast مانند حالت الکترونیکی و لرزش شبکه از ماده.
مزایا: این یک روش تحقیق قدرتمند برای زمینه هایی مانند شیمی ، فیزیک و علم مواد فراهم می کند که به درک عمیق ساختار داخلی و روند پویا مواد کمک می کند.
دستکاری مولکول سرد
اصل: از تعامل بین لیزرهای مادون قرمز و مولکول ها می توان برای ضبط ، حرکت و دستکاری مولکول های سرد استفاده کرد. با تنظیم دقیق فرکانس ، شدت و فاز لیزر ، می توان یک چاه پتانسیل نوری خاص را برای زندانی کردن مولکول های سرد و تحقق کنترل حرکت مولکول ها تشکیل داد. به عنوان مثال ، در زمینه محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی ، از لیزرهای مادون قرمز میانه برای دستکاری وضعیت کوانتومی مولکول های سرد برای دستیابی به عملکرد بیت های کوانتومی استفاده می شود.
مزایا: این یک بستر آزمایشی جدید برای تحقیقات در فیزیک کوانتومی ، فیزیک شیمیایی و سایر زمینه ها فراهم می کند و انتظار می رود پیشرفت های مهمی را در محاسبات کوانتومی ، شبیه سازی کوانتومی و جنبه های دیگر ایجاد کند.
③ تولید پالس های آتوس ثانیه
اصل: از طریق فرآیندهای نوری غیرخطی مانند تولید هارمونیک مرتبه بالا (HHG) ، لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه می توانند پالس های اولتراشورت را در سطح آتوس ثانیه تولید کنند (10 ثانیه). هنگامی که لیزرهای مادون قرمز میانه با اتم یا مولکول در تعامل هستند ، هارمونیک مرتبه بالا تولید می شود. فرکانس این هارمونیک ها در باند ماوراء بنفش شدید (XUV) است و عرض پالس آنها می تواند به سطح Attosecond برسد.
مزایا: این وضوح زمان بسیار بالایی را برای مطالعه فرآیندهای ultrafast مانند حرکت هسته ای و دینامیک الکترونی فراهم می کند ، که به آشکار کردن اسرار دنیای میکروسکوپی ماده کمک می کند.

به طور خلاصه ، لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز در میانه چشم انداز کاربردهای گسترده و پتانسیل زیادی در زمینه های تصویربرداری پزشکی و بیولوژیکی ، نظارت بر محیط زیست و سنجش گاز ، پردازش صنعتی ، دفاع ملی و امنیت و تحقیقات علمی نشان داده اند. با توسعه مداوم و بهبود فناوری ، اعتقاد بر این است که لیزرهای فیبر پالس مادون قرمز میانه در زمینه های بیشتر نقش مهمی دارند و رفاه و پیشرفت بیشتری را در جامعه بشری به ارمغان می آورند.

اطلاعات تماس:

اگر ایده ای دارید ، احساس راحتی کنید که با ما صحبت کنید. مهم نیست که مشتریان ما در کجا قرار دارند و نیازهای ما چیست ، ما هدف خود را دنبال خواهیم کرد تا با کیفیت بالا ، قیمت پایین و بهترین خدمات به مشتریان خود ارائه دهیم.