femtum中紅外超連續(xù)譜激光器的部分應(yīng)用領(lǐng)域介紹

femtum超連續(xù)譜光源通常是一種脈沖激光（納秒、皮秒或飛秒級(jí)），它被轉(zhuǎn)換成具有非常寬光譜的光信號(hào)，如圖1所示。與燈、LED甚至太陽等標(biāo)準(zhǔn)照明寬帶光源相比，超連續(xù)光源具有激光器最大的固有優(yōu)勢之一：它們具有方向性，在某些情況下還具有相干性。因此，這種類型的激光器可以在光纖中有效地注入和引導(dǎo)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離準(zhǔn)直，甚至聚焦在一個(gè)非常小的光斑內(nèi)，與其他寬帶光源相比，這大大提高了它們的亮度。

圖1：具有水(H2O)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)吸收帶的中紅外超連續(xù)譜源示意圖。

中紅外超連續(xù)激光器有哪些應(yīng)用？

中紅外光譜區(qū)是SC光源開發(fā)中最神奇的波段區(qū)域，因?yàn)樗藥追N材料和分子的基本吸收。因此，中紅外SC激光器主要應(yīng)用于成像和光譜學(xué)。以下是它們比較有前景的應(yīng)用。

光學(xué)相干層析成像

光學(xué)相干層析成像（OCT）是一種成像技術(shù)，它利用光在漫反射介質(zhì)中的散射特性，以非常高的精度對(duì)物體進(jìn)行體積成像。該技術(shù)主要用于醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)無損檢測（NDT）。

與傳統(tǒng)近紅外OCT [1]相比，中紅外光學(xué)相干層析成像允許更高的穿透深度和更高的分辨率。主要原因很簡單：波長較長時(shí)散射損耗較低。

如圖2所示，信用卡中的電子芯片由高度散射的聚合物層、硅微處理器和小型電路組成，與標(biāo)準(zhǔn)的近紅外OCT成像系統(tǒng)相比，使用中紅外SC源可以更好地進(jìn)行體積成像。

圖2：使用中紅外OCT對(duì)信用卡內(nèi)部的電子芯片進(jìn)行3D成像。標(biāo)準(zhǔn)近紅外OCT圖像和中紅外OCT圖像之間的比較顯示在d）中，并強(qiáng)調(diào)了這種方法在中紅外中的優(yōu)勢[1]。

高光譜成像

另一方面，材料和生物組織獨(dú)特的紅外吸收特性，為顯微鏡和生物成像診斷提供了另一個(gè)領(lǐng)域?；诔B續(xù)譜源的高光譜成像技術(shù)收集材料的空間和光譜信息，由于這些激光的高亮度，其信噪比遠(yuǎn)高于基于FTIR的標(biāo)準(zhǔn)紅外成像技術(shù)。當(dāng)不同類型的材料或組織必須在同一張圖像中分類或區(qū)分以檢測癌癥或異常時(shí)，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢[2]。圖2顯示了使用中紅外超連續(xù)光源獲得的結(jié)腸組織多光譜圖像的示例，并與可見光和共焦圖像進(jìn)行了比較。

圖3：結(jié)腸組織的成像。a)共焦成像，b)可見光成像，c)-d)-e)不同SC波長的光譜成像和f)顯示圖像c)、d)和e)的光譜-空間映射的合成圖像。取自[2]。

遙感

中紅外超連續(xù)譜激光器還可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程檢測，和識(shí)別一個(gè)物體內(nèi)的多種氣體，因?yàn)樗鼈兊膶拵匦钥梢愿采w最常見氣體（如二氧化碳、甲烷、氨等）的基本吸收。因此，這些光源可以用于監(jiān)測煉油廠、工廠或其他工業(yè)建筑的溫室氣體排放。圖4給出了此類應(yīng)用的簡化示例。SC源還用于燃燒系統(tǒng)[3]或炸藥[4]的遠(yuǎn)程檢測和表征。

圖4：監(jiān)測工業(yè)建筑排放的溫室氣體（CO2、甲烷等）的簡化方案。

紅外對(duì)抗

3-5μm大氣傳輸窗口是國防應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。一些最新的熱尋的導(dǎo)彈（毒刺、響尾蛇等）包括紅外探測器，可以引導(dǎo)這些導(dǎo)彈穿過特定目標(biāo)。這種導(dǎo)彈中使用的探測器對(duì)飛行器的高溫部件非常敏感，比如轉(zhuǎn)子或噴嘴，它們的黑體排放量約為4μm。

對(duì)抗這些導(dǎo)彈并使其錯(cuò)過目標(biāo)的一種方法是用寬帶、高功率中紅外SC源使其內(nèi)部集成的探測器盲目[5]。這些包括SC激光器的定向紅外對(duì)抗（DIRCM）系統(tǒng)以與圖6類似的方式放置在機(jī)載車輛上，并具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)臂，用于掃描飛機(jī)或直升機(jī)周圍非常大的體積。

圖6：固定在飛機(jī)底部的直接紅外對(duì)抗(DIRCM)系統(tǒng)的示意圖示例。被中紅外SC源致盲的導(dǎo)彈偏離其軌跡并錯(cuò)過目標(biāo)。圖片取自[6]。

超快光子學(xué)

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，光學(xué)實(shí)驗(yàn)室也廣泛使用或研究中紅外超連續(xù)光源，以穩(wěn)定頻率梳狀激光器[7]或在中紅外[8]中產(chǎn)生少量周期脈沖。在大多數(shù)應(yīng)用中，中紅外超連續(xù)譜的相干特性至關(guān)重要。

參考資料:

[1] N. M. Israelsen et al.,“Real-time high-resolution mid-infrared optical coherence tomography”, Light:science & applications, 2019, vol. 8, p. 1-13.

[2] C.R. Petersen et al.,“Mid-infrared multispectral tissue imaging using a chalcogenide fiber supercontinuumsource”, Optics Letters, 2018, vol. 43, p.999-1002.

[3] T. Werblinski et al.,“Supercontinuum based absorption spectrometer for cycle-resolved multiparametermeasurements in a rapid compression machine”, Applied Optics, vol. 55, p.4564-4574.

[4] M. Kumar et al.,“Stand-off detection of solid targets with diffuse relfection spectroscopyusing a high-power mid-infrared supercontinuum source”, Applied optics, vol.51, p. 2794-2807.

[5] H.H.P.T. Bekman et al.,“Development of a mid-infrared laser for study of infrared countermeasurestechniques”, Proc. SPIE 5615, 2004, p. 27-38.

[6]

[7] D. D. hickstein et al.,“Ultrabroadband supercontinuum generation and frequency-comb stabilizationusing on-chip waveguides with both cubic and quadratic nonlinearities”,Physical Review Applied, vol. 8, 2017, p. 014025-1 – 014025-8.

[8] R. I. Woodward et al.,“Generation of 70-fs pulses at 2.86 um from a mid-infrared fiber laser”, OpticsLetters, 2017, vol. 42, p. 4893-4896.