激光与红外

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【优秀范文】激光与红外

范文一:红外和激光的对比 投稿:郝援揵

目前,民用粉尘检测传感器主要有两种,红外粉尘传感器(神荣,GE,夏普)和激光粉尘传感器(诺方电子,四方光电,攀藤科技)。前者价格从20到40元不等,后者普遍在百元左右。那么这两类传感器有什么区别呢?

结构

从拆解图看看出,其结构和电路都非常简单,光源为红外led光源,气流

进出风口也很简单,基本上没有复杂的风道设计,采样空气主要靠电阻加热推

动气流流动获得,输出只有PWM输出,简单的说就是有颗粒通过即输出高电

平。

激光传感器就复杂多了,光源为激光二极管,气流流动进出一般都有专门设计,采样空气通过风扇或鼓风机推动,输出一般为串口输出,像SDS011还有PWM输出以节省上位机串口资源

数据对比

粉尘传感器(PPD42NS

)、激光检测仪(Dylos1100pro)与科研用专业级仪器(Thermo PDR)数据对比:

可以很明显的看出红外粉尘传感器数据与激光检测数据差距非常大,而激光检测数据与专业仪器相比非常接近。

下图是搭载激光传感器SDS011的检测仪SDM805与科研用

Thermo Scientific 5030型颗粒物同步混合监测仪数据对比,相关性非常好,然而前者几百元,后者价值20万。

分析

从数据曲线上看,质量较好的激光传感器数据可信度已经比较高了,而传统红外粉尘传感器数据表现差距较大。因为采用led光源的粉尘传感器散射的颗粒信号较弱,只对大颗粒有响应,而且又仅用加热电阻来推动采样气流,采样数较少,数据计算完全交由上位机进行,而激光传感器自带高性能CPU,采用风扇或鼓风机采集大量数据,经由专业颗粒计数算法分析,这样,采样数、数据源、算法三方面都与红外粉尘传感器拉开差距。可以说,目前的激光传感

器已经可以得到较为可信的PM2.5数值,而粉尘传感器数据误差较大,甚至不能测量PM2.5这样的小颗粒,只能作为个玩具。目前较多的空气净化器里采用了红外粉尘传感器,但大多数只能显示个质量等级,不能显示数值,即便是质量等级的测量也不太准确。今年已经有新锐净化器采用了激光传感器,这是一个趋势。

范文二:红外激光光源 投稿:贾谘谙

红外激光光源

苏美开

(济南福来斯光电技术有限公司,)

1概述

尽管低照度CCD摄像技术和微光夜视技术现在已经取得巨大进步,但是在低照度环境下,所有的图像监视装置接收到的仍然只是高噪声、低分辨率的模糊图像。原因是光线太弱。采用半导体激光红外光源可以从根本上改进夜间、尤其是夜间远距离拍摄的效果。 半导体红外激光光源是专为红外夜视系统配置的、远距离红外照明光源;配合红外摄像机、黑白CCD摄像机或微光夜视系统用于夜间及24小时的、全天候条件下的监视摄像,照明距离从几米到数公里。

2 光束整形

激光束压缩透镜主要用于将激光光束发散角进行压缩,在一般距离上观察时为了在不同距离上都能正常观察目标,通常采用变倍镜头,即近距离将光束发散角变大,这样照明范围大,光强度变弱,成像部分不会因为光强度大而饱和,远距离让将光束发散角变小,这样照明范围小,光强度变强,成像部分不会因为远距离衰减,从而增大观察距离。

光斑整型的目的主要是为了将半导体激光器光斑整成圆型或方型。我们知道,半导体激光器输出光斑是椭圆形,水平和垂直发散角一般为θ‖×θ⊥=8º×40º。不可能用于直接照明观察,因此需要整成圆型或方型。对于用于有监视器观察显示的通常整理成长方型。 CCD光敏面为矩型,且其长宽之比为3:4,这样如果我们将激光光斑整形为此比例的矩行,则正好相互匹配,产生的视觉效果非常好。如果其中一个方向上视场角正好为激光器水平发散角(如8º)。

LD LEN

可以将垂直方向发散角压缩为11º或6º。设柱透镜焦距为f, LD发光带尺寸为d,则,由几何光学可知,LD光束经透镜后发散角为

θ=d

f d

θ (1) 则f=

由(1)即可确定需要的最短焦距值。由此可以得到需要的激光器最小有效孔径为 D=2ftan(θ⊥/2) (2)

π

例如,808nm 2W管子光带尺寸为0.001×0.2mm,θ=6×180=0.1,代入(1)得f=2mm。由(2)可得到D=2×2tan20º=1.5mm。

在实际应用中,考虑到所使用透镜的通用性,例如,光束发散角压缩到0.5 º是可能的,此时由上面的计算得f=24mm,D=2×24tan20º=18mm。这就是实际我们采用透镜的技术参数。 理想情况下,准直透镜可以把光源准直成一个完好的平行光束,但是实际情况并不能实现,平面光束的直径可由下式决定

λzDz=D[1+(2)2]2D (3)

其中,λ是激光波长,z是光束传输距离,Dz是在距离z处光斑直径。在近场时即z

λzλzD=z2D,≈0时,(3)得Dz≈D,与光斑直径与透镜有效孔镜相同。在远常时D»1,(3)得

则最小光束发散角为

θm≅λD (4) 1

808×10−3

θm≅1.5例如,对于808nm激光,D=1.5mm时,mrad=0.6mrad。

θm实际是衍射极限光束角。可见要想得到理想的光束发散角,必须通过增加透镜焦距,增大通光孔径的方法,这样就要增大光学系统的体积。

LD 光束是椭圆高斯光束,

光束的垂直发散角较大, 其横

场由于有高阶模的存在而呈若

干长条状, 光斑极不均匀。LD

光束若直接使用是不会得到好

的照明效果的, 而必需对其进

图1 光线通过直圆柱光纤的传输行为

行整圆和光斑均匀化处理。LD

光束整圆可利用椭圆微透镜或

二元光学元件进行, 我们提出使用光纤对LD 光束进行整圆和光斑均匀化的思路, 这种方法工艺、结构简单, 系统光学元件数少, 耦合效率高, 适合于制作小体积、大功率的照明光源。用于光束整理的光纤为阶跃折射率型多模单根光纤或光纤束。

光纤对LD 椭圆高斯光束的整圆, 可以用纤维光学的射线理论来解释。光纤是由内、外两层折射率不同的材料拉制而成的细丝, 光线在其中全反射向前传输。通过对子午光线分析可知, 一直径很小的光束, 当它与光纤轴呈A夹角进入圆柱形光纤后, 在光纤输出端可以形成一个空心圆光锥[1 ] , 锥角为2B, A= B, 其传输行为如图1 所示。由斯涅尔定律可知, 光纤孔径角H是光纤的最大入射角, 相应的表示光纤聚光能力的物理量是数值孔径, 用NA 表示。A在0~ H之间变化时, 锥角2B也在0~ 2H之间相应变化。当A> H时, 光线将不被传输[1 ]。当光纤弯曲时, 其数值孔径一般说来要减小。在实际使用时, 受多方

面因素的影响, 实测的A、B值要比孔径角H的理论值小。

LD 光束可近似地处理为点光源发出的椭圆形立体光锥。当光锥顶点置于光纤轴并通过光纤传光时, 由上述分析不难得出LD 光束被光纤整圆的结论。用光纤束整圆的效果与用单根光纤一样。整圆后的光锥锥角一般小于50°

LD通过光纤耦合后,得到圆光斑,再通过光学系统可以非常容易进行发散角压缩,采用列阵耦合得到的多纤芯捆绑的大芯径光纤输出激光器,光斑均匀,性能可靠,使用灵活。因此大功率耦合方法是我们在3。3。3中将重点研究描述。

3 光斑均匀化处理

激光照明光学透镜整型输出,存在均匀化处理问题。采用单个大功率激光管,同样由于模式问题,造成不能消除的斑纹状。图2a是单个2W808nm激光器经过光学透镜压缩后的光斑,图2b是两个2W808nm激光器经过光学透镜压缩后的重叠后光斑。从图明显看出,后者均匀性明显提高,这是由于二者互补后,将一些暗条纹变亮的结果。

图2a单个2W808nm激光器压缩后的光斑 图2b两个2W808nm激光器压缩后重叠光斑

当然,在实际调试中,需要精心挑选激光器,尽可能将两个激光器互补性好的选择在一组。并且需要将他们的光轴要调整平行,否则二者重叠性差,影响照明距离(图3)。我们还设计出四个激光器(图4)同时照明的激光灯,这样光斑均匀性更好,且可以增加视距。

图3双 808nm激光器照明灯 图4 四路808nm激光器照明灯

4 主要技术指标

激光输出功率:2W,3W, 5W, 8W

峰值波长:808nm±10nm,915nm±10nm, 980nm±10nm 1060±10nm 光束发散角(可定制): 2゜× 6゜~8゜× 24゜连续可调

驱动电源:DC12V,1A

功耗:小于12W

外型尺寸(不含镜头):100mm×50mm×40mm

参考照明距离:10~400米

5 实验结果

安装镜头:将镜头连接口保护带取下,将镜头旋紧(有的出厂前已经安装好)。 通电:接入12V直流电源,即有激光输出。

镜头调整:改变镜头焦距和聚焦改变光斑大小,达到要求效果。 使用后断开电源。

范文三:红外线激光灯 投稿:曹緥緦

红外线激光灯在工业和工艺待业的校正与定位中,取代了标尺、三角板、挡块等设备。并且能够帮助您在无法采用机械导向或在需要双手同时工作的地方工作。可以调节颜色和亮度,使之适合于材料表面和您所在位置的环境光线。 工业用红外线激光灯(点.一字线.十字线)可广泛用于电脑绣花机的起始定位,作效率成衣激光定位、服装钉钮点光源定位、裁布机裁布辅助标线、服装折边激光标线定位、缝纫机/裁剪机/钉钮机/自动手动断布机辅助标线定位各种。可用于钉扣机、铆钉机、开袋机、裁床、套结机、拉布机等等。方便快捷、直观实用。能较大幅度的提高工作效率。

各类型半导体激光器:红光激光器(激光模组)、红外线激光器(激光模组)、绿光激光器(激光模组)、蓝紫光激光器(激光模组)。按激光波长有 405nm、532nm、635nm、650nm、660nm、780nm、808nm、980nm。

范文四:红外线激光器 投稿:蔡影彲

红外线激光器

与其他普通光源不同,红外线定位灯产生的激光由于其单色性、相干性、准直性以及高能量密度而能达到能量集中的效果。

→郑重说明

1,红外线激光器(镭射定位灯)为我公司最新研发,采用原装进口玻璃柱面镜和激光二极管,打出的一字线在室内工作环境最长可达到10米,红线细且均匀,准直性及稳定性非常高,安装高度0.5米——5米都可以使用;为树立全新的品牌系列以及感谢新老客户长期以来对我们的关注及支持,特以超低价格销售,性价比非常高,欢迎选购!

红外线激光器参数及说明如下:

精工级产品,寿命更长,稳定性好,输出功率恒定,铜件及LD元件品质非常好,能够承受长时间不间断工作,采用进口优质LD,保护电路保护LD,防静电,抗震抗摔!成像的效果更好。

品牌 RC(日成激光,用心服务)

光斑形状:一字线

输出波长: 635nm 650nm

管芯功率:10~300mW

规 格: :Φ16×55mm Φ16×80mm(多种,可订做)

直线度:≥1/5000 线 宽:3米处线宽≤1.0mm

使用寿命:连续使用大于8000小时

出光张角:90°~120°

光学透镜:光学镀膜玻璃透镜G3

工作电压: 直流 5V

附件:专用电源 支架

gl

范文五:红外与激光仪器的区别 投稿:姜蹦蹧

名称

定 义

红外检测设备

红外(infrared ):波长约在 3.3μm 左右的电磁辐射。

激光检测设备

激光(laser):在 1.65um 由受激发射的光,放大产生的辐射。

红外线传感器:利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线

激光传感器:利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检 测器和测量电路组成。 它的优点是能实现无接触远距离测量, 速度快, 精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。

概 述

又称红外光。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,抗干扰性 能差,需要透镜将红外光过滤后再进行测量,并且需要定期校准

红外具有特性:1、很强热效应(热作用很强);2、穿透云雾的能力

激光重要特性:1、波长稳定,无需经常维护,2、高单色性,激光的 频率宽度比普通光小 10 倍以上,不受光线干扰 3、不受其他气体干 扰 4、灵敏度较红外高

特 性

强;3、具有良好的吸收、共振性;4、对人体具有保健作用。5、对 温度变化较敏感 6、对二氧化碳浓度变化较敏感 7、受光线影响强

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构 不同可分为透射式和反射式两类。 检测元件按工作原理可分为热敏检

激光传感器工作时, 先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。 经 目标反射后激光向各方向散射。 部分散射光返回到传感器接收器, 被 光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。 雪崩光电二极管是一种内 部具有放大功能的光学传感器, 因此它能检测极其微弱的光信号, 并 将其转化为相应的电信号。 常见的是激光测距传感器,它通过记录 并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距 离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快。

传感器工作 原理

测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻 受到红外线辐射时温度升高,电阻发生变化,通过转换电路变成电信 号输出。光电检测元件常用的是光敏元件,通常由硫化铅、硒化铅、 砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

工作原理图

范文六:红外与激光的对比(周界) 投稿:郝槐槑

红外与激光的对比

1、上海市公安局技防办在 2007 年已经出台文件,红外线产品在上海市在周界 安防领域,只能是补充作用。 2、激光探测器每一道光束都为独立的光束系统;而红外探测器的多光束实质是 一套光束系统,遮挡其一束光并不报警; 3、红外线产品误报高,雨天无法布防。详见后附对比表 比较项目 主动红外探测器 误报率、 漏 高 报率 对于雨、雾、雪、沙尘 暴等恶劣天气, 红外探 测器衰减程度大, 所以 误报非常多, 适应能力 差。 激光探测器 低 激光探测器由于激 光自身特性,单色 性好, 穿透能力强, 完全不受雨、雾、 雪、沙尘暴等恶劣 天气干扰,是室外 恶劣环境技防的理 想的选择。 光斑直径 0.17 米 说明 红外发射角大,抗干扰差,激 光能量集中,抗干扰能力强。

适应恶劣 环境

激光方向单一,发散角小,光 束集中,信号强,即使有恶劣 环境带来的衰减也不会影响 正常工作

100 米射 束扩展 单色性 产品相互 串扰 实际工作 距离 工作温度 范围 调试方式 响应时间 接收机接 收窗口 多光束探 测方式

光斑直径 3 米

扩展范围越小,光束密度越 大,光的可用功率越大,穿透 力强 激光不受杂散光干扰

差(受强光干扰) 红外产品在直线长距 离布设中出现相互串 扰,易漏报 实际工作距离为标称 距离的 75%左右

闭路传输系统,不 相互串扰能引起不允许出现 出现串扰 的漏报警

实际工作距离与标 将为设计提供准确布设依据 称距离一致 激光探测器比红外探测器更 -25℃~55℃ -40℃~70℃ 适合于寒冷气候环境 通过激光定位仪把 通过镜头对准方式, 远 激光探测器调试方式方便, 调 光信号转为声音信 距离调试不方便 试过程准确、快捷 号 响应时间范围越大, 适应场合 50~500msec 5~1000msec 越广 接收机窗口越大, 接收的信号 小 大 越多,系统越可靠 激光探测器每一道光束都为 同时遮断报警 遮断任何一道报警 独立的一套系统; 而红外探测 器的多光束实质是一套系统

范文七:红外波段激光 投稿:范諦諧

超远距离红外激光夜视系统的原理与应用

时间:2009-09-14 13:32:15 来源:华强电子世界网 作者:

最基本的超远距离红外激光夜视系统,由大功率半导体激光器LD、驱动控制器、光学扩束准直镜头、摄像机及其长焦距镜头、传输系统及监视器等组成。大功率半导体激光器LD,通过大电流驱动与控制,发射出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的目标物体。但由于激光的光束细、亮度高,因此必须要根据所监视的远距离目标的距离和范围,通过光学扩束准直镜头将红外光束扩束照亮到所监视范围的目标场景。红外线经物体反射后进入摄像机的长焦距镜头到光敏面上成像。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像,而不是可见光反射所成的影像,即此时由超低照度摄像机可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。这种影像,再通过传输系统送到监控中心去记录与显示。

红外光传输应注意的几个技术问题及解决措施

由于是1km以上的超远距离红外光波传输,就有几个应注意的技术问题。

1、在空气中传输的质量受天气的影响较大。

2、在任何大气传输链路中,都有几个需要考虑的因素(即引起传输信号衰减的原因)。

大气中分子的吸收

LED和LD发光的大气传输系统的信号损失,主要是由其传输介质——大气的吸收引起的。因为光束从气体中穿过时,总会发生一定程度的分子吸收。而且,空气对某些波长的光吸收得特别厉害,这些波长根本无法用于信号传输。由大气吸收引起的衰减尚可接受的波段称为大气透射窗(atmosphericwindows)。这种大气透射窗波段的数据在各类文献中都可以查到,因此所有的LED和LD的系统都必须在这个大气透射窗内的波长上工作。

空气中的微粒吸收

空气中的微粒,如灰尘和烟雾,是另外一个引起光信号吸收的因素。显然大气中总是或多或少地含有一些这样的微粒,尤其在水体附近,这类颗粒的含量有时非常高。在这些地方,一般总是尽量将光设备安装得离地面高一些,以改善光传输的效果。

雾气的吸收与散射

雾气也是引起严重红外吸收的因素,并且雾气还会使光发生前、后向散射。因此,在多雾的区域,必须根据当地的气候来选择光收发设备的工作时段,因为起雾的时候系统将无法正常工作。

大气紊乱性的影响

大气具有一定程度的紊乱性,它除了会造成信号损耗外,还会给信号掺入噪声。如风会引起大气乱流,而大气乱流又会导致信号路径上空气的折射率发生变化。这种现象与阳光曝晒下的地区产生热浪、引起海市蜃楼的现象类似。这种影响最终是将红外光束折射到无法确定的其它方向,从而使摄像机拍不到所需监控的目标。

由此可知,由于红外光波传输技术是在空气介质中传输,因此其传输质量受天气的影响较大。一般,晴天对传输质量的影响最小,而雨、雪和雾天对传输质量的影响较大。经测试,红外光波传输受天气影响的衰减经验值为:晴天5~15dB/Km;雨天20~50dB/Km;雪天50~150dB/Km;雾天50~300dB/Km。目前解决这个问题,一般采用更高功率的LD管、更先进的光学器件和多光束。

实际上,对超远距离红外激光夜视系统来说,主要受上述空气中的微粒、雾气等吸收和散射的影响,同步脉冲距离选通技术能较好地解决这一问题。

同步脉冲距离选通技术

距离选通(Range-Gate)技术,实际上主要有二个关键:一是要有脉冲激光束照射技术,即所发射的激光是可控制的脉冲式的;二是要有能高速开通和关闭的强化CCD,且其开关速度达几百ns,而且还要与激光束脉冲保持严格同步。这样,就可使观察人员选定特定的观察距离,从而可轻易地消除其他距离内水珠、雾、雪、沙尘等产生的强散射光与反射光的干扰。因为CCD大部分时间是关闭的,不接收这些干扰光,所以就不会在CCD上显像。

激光的安全影响了使用

为解决天气对光波传输质量的影响,往往加大激光二极管的功率。但超过一定功率电平的激光对人眼可能会产生影响,因此人体可能被激光系统释放的能量伤害。所以,为增加夜视距离,激光功率不能无限制地加大。

超远距离的红外激光夜视系统的几个主要部件的选择

人的眼睛能看到的可见光波长从长到短为0.78μm、0.38μm,其颜色排列依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。比紫光波长更短的光叫紫外线,比红光波长更长的光叫红外线。利用红外光源,能发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体,红外线经物体反射后进入镜头到CCD上成像,这时即可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。

目前市场广泛使用的红外光源有LED红外灯、微阵列LED红外灯、卤素滤光型红外灯等。但这几种红外灯在照射距离、功耗、效率等方面都存在一定局限性,而不适用于1km以上的超远距离夜视监控。因此,这种系统必须采用近红外大功率半导体激光光源照明,我们选用国产半导体激光二极管LD,其波长为808nm,功率根据所需距离有1W-10W等。

摄像机的选择

众所周知,固体摄像机有CMOS与CCD两种。同CCD一样,CMOS图像传感芯片对红外非可见光波也有反应,但它在890-980nm范围内其灵敏度比CCD图像传感芯片的灵敏度要高出许多,并随波长增加而衰减的梯度也慢一些。随着CMOS图像芯片的飞速发展,其噪音讯号进一步压低,星光级的CMOS摄像机也将面市。而低功耗、高集成、小体积只有CMOS图像传感器才能办到,因而可作成衬衫钮扣、西装钮扣般大小的CMOS摄像机。加上相应的红外光源更加小型化产品,以及高效能电池的推出,这样第三只眼睛将会无处不在。带上一副夜视眼镜和一顶配有红外光源和CMOS超微型摄像机的帽子,黑夜将如同白昼。显然,这将改变我们整个社会生活的面貌。

由于我们使用国产半导体激光二极管LD的波长为808nm,因此选择CCD摄像机。但值得注意的是,1/4

一般,夜视摄像机要求不加红外灯时CCD的最低照度不超过0.02LUX,而有些摄像机制造商或销售商虚报最低照度,使夜视有效距离大大降低,因此需要具体测试。月光级和星光级等增感度摄像机可在很暗的条件下工作,但有些反光系数小的地方还是达不到要求,如沙漠,绿地,林区等。在这种情况下,就需要采用由高性能成像增强器和CCIR制式的黑白CCD通过纤维面板和光锥直接耦合而成的微光夜视摄像机。

镜头的选择

摄像机镜头是红外夜视监控系统的关键设备,它的质量(指标)优劣直接影响到整套系统的成像效果,因此,镜头选择是否恰当既关系到系统质量,又关系到工程造价。普通

的光学镜头,物体反射回镜头的红外光不能有效聚焦到CCD靶面上,此时红外夜视效果就会大打折扣,因而最好选用红外镜头。

选择镜头时一般应注意以下几点:

镜头的成像尺寸应与摄像机CCD靶面尺寸一致,即选1/2或以上尺寸的镜头。根据摄像机被监控目标的距离,选择镜头的焦距(其计算公式可参见本人编著的《电视监控技术》

第一章第三节),镜头焦距确定后,则由摄像机靶面决定视野。

镜头的分辨率与透光率要达到要求。合适的光圈或通光量此外,除摄像机镜头外,还要根据观察场景的大小与距离选择合适的激光扩束准直镜头,使激光束能照亮所需监控的场景,以便监控场景的反射光能被CCD摄像机所接收。

传输系统的选择

一般监控视频图像的传输通常采用下述四种方法:

1、网络传输。

2、无线传输。

3、同轴电缆传输。

4、双绞线传输这四种方法各自的优劣,业内工程技术人员均已熟知,就不加介绍了。一般监控中心距离近,多采用同轴电缆传输,至于其他的传输方式,则看当时当地的条件了。

监视器的选择

监器的选择标准有两条:

黑白与彩色要与摄像机相配

所选用的监视器的清晰度要高于(最好高一档)所选用的摄像机的清晰度指标需要注意的是,不要认为摄像机的清晰度指标为400线,则选用清晰度为400线的监视器就够了。如果这样配置的话,那所显示的图像清晰度就会只有300线左右。因为所谓400线的清晰度是指在用摄像机摄取标准测试卡时,在测试卡上400线时的视频信号输出幅度为在100线时视频信号幅度的40%左右,而监视器的清晰度也是如此定义的。因此,将它们相配时就会使得在400线时的视频信号输出幅度只有16%,而40%的位置就会降低移至300线左右了。所以,要想充分显示摄像机的清晰度性能,就应当选用高一档清晰度的监视器。虽然价格要贵一些,但能充分显示出系统的优势和指标特色。

防护罩的选择

防护罩对红外灯的效果也有影响,红外光在传输过程中,通过不同介质,其透射率和反射率也不同。不同的视窗玻璃,特别是自动除霜镀膜玻璃,对红外光的衰减也不同。因超远距离夜视系统的运用场合都比较特殊,所以对防护罩的产品质量及防护要求都比较高。因此,在选择防护罩时,都应综合进行考虑。

超远距离的红外激光夜视系统的应用

超远距离红外激光夜视系统可广泛应用在:边防夜视监控、海防夜视监控、海事远距离监视(如港口黑夜监控近海轮船等)、防汛远距离监视、森林防火了望监控、城市环境检测远程监视、油田夜间监视、海堤长距离监视、公安夜间监视、监狱围墙的夜间监视、铁路火车机场全天候监视等需要远距离夜视监控的场所。

现以北京博瑞达光电技术有限公司所研发的超远距离军用激光红外夜视系统在边防、海防、军事设施和车载夜视侦察、指挥系统的应用为例,说明其应用的广泛与重要性。

边防、海防夜视监控

超远距离红外激光夜视系统,可应用于边防、海防夜视监控。系统为日夜监控的需要,主要由红外激光照明、彩色与黑白摄像机以及图像信号输出装置组成。

一般、边防线和海防线较长,如一台夜视设备能监控半径为3公里的区域,则需要多台夜视仪,并由控制中心统一控制。可以实现昼夜连续监控。全自动云台和自动变焦技术,可以使夜视仪观察到监控区域内任何一点的情况。根据用户需要监控的距离,多台夜视仪情况下可有以下两种布置方式。

视频监控设备安装于既可以水平旋转又可以进行俯仰的云台上,由控制中心的计算机进行控制,可针对不同区域情况进行设定。当监控区域不是很大时,可采用固定方式监控,即使摄像机固定对监控区进行摄像。如果监控区较大时,则采用自动循环扫描方式。

军事设施夜视监控

军事设施、军事机关、军队驻地等场合的监控往往仅对某个特定区域进行监控,因此一般采用在特定地点安放定焦夜视仪的办法,而且根据监控对象的数量,可安置多台夜视仪,或使用变焦夜视仪。

车载夜视侦察、指挥

超远距离红外激光夜视系统可作为车载夜视系统,它由前端图像信号采集、视频信号及控制信号中间传输、图像控制中心三部分组成。

车载夜视系统可安装在边防巡逻车、武警指挥车、紧急救援车、工程抢险车、公安执法车等上成为可移动的夜视系统。该系统在特制的激光红外夜视系统的基础上,增加了视频和控制系统,结构更加完整,功能更加强大。其云台可通过解码器由计算机实时控制,使它进行水平360度旋转和俯仰动作,以实现昼夜连续监控及录像。自动变焦技术可以监控定制距离内任何距离处的情况。其成像系统具有去拖尾功能,从而保证在运动中获得清晰的图像。可使用GPS定位器进行车辆定位,便于监控指挥中心指挥。并且,在监控中心配有数字硬盘录像机,可实现对画面的切换、录像及对前端设备的控制。

结束语

超远距离红外激光夜视系统,必须使用红外激光光源。目前,几百米以上监控的红外光源,无一能与红外激光光源相比,而只有远程监控才能达到不惊动被监控对象的目的。这是现代社会安全监控的需要,并可开发广泛应用,应当引起各安防监控企业的注意。研究表明,超远距离红外激光夜视系统是可行的,其关键技术也是能解决的。只有具备红外激光夜视系统,我们的红外夜视产品的各种距离才算齐全了。

范文八:红外激光探测 投稿:段乯买

长 春 理 工 大 学

科 研 训 练 报 告

学院

姓 名 林微

时 间 11.01.01-11.01.14

地 点 西区实验楼210、217

指导教师 卢利平

注:本页由教师填写

红外探测材料及技术分析

080611207 林微

摘要:本文分析了红外探测器材料的性质,红外探测器材料的研究现状,对它们各自的特点及发展作了较为详细的评述,研究了探测器的主要应用领域,并对在红外光电子领域的量子阱红外探测器进行了特色分析包括其工作机理和材料技术制备方面。

关键词:红外探测器材料 研究进展 发展领域 量子阱红外探测器

引言:红外探测器材料是光电子材料的重要一类,近十几年来受到国内外学者的广泛关注和研究。在现代战争所用电子装备中,红外热成像技术对提高夜视、防空和侦察能力起着十分重要的作用。目前,为满足夜视、火控、侦察、监视、精确制导和光电对抗等军事应用.需要发展高密度的第二代焦平面探测器和第三代大规格、多色、非制冷的焦平面探测器,这对红外探测器及其材料提出了新的更高的要求,必须提高原有探测器材料的性能,并开发新型的材料。并应用红外探测技术利用目标与背景之间的红外辐射差异, 所形成的热点或图像来获取目标和背景信息。

红外技术发展到现在,已经为大家所熟知,这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统,按照功能能够分成五类:(1)辐射计,用于辐射和光谱测量;(2)搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;(3)热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像;(4)红外测距和通信系统;(5)混合系统,是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

一、基本概念

了解一下红外光。红外光是太阳光谱的一部分,红外光的最大特点就是具有光热效应,辐射热量,它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光,与所有电磁波一样,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减,在金属中传播衰减很大,但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料,大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同,大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明,对于波长为1~5μm、 8~14μm区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。自然界中任何物体,只要其温度在绝对零度之上,都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的,热能强度也不一样。例如,黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应。严格来讲,自然界并不存在黑体、镜体和透明体,而绝大部分物体都属于灰体。上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。红外探测器是一种对于红外辐射进行高灵敏度感应的光电转换器件. 早期的红外探测基于红外辐射的热效应. 根据电子受光子激发后输运性能的差异制作的探测器称为光子探测器.

二、红外探测器材料性质与应用

目前,主要发展的红外探测器材料有碲镉汞红外探测器材料、量子阱红外探测器材料以及非制冷型红外探测器材料。

l 碲镉汞(HgCdTe)红外探测器材料

碲镉汞(Hg d )是直接带隙半导体,在制备过程中适当地控制组分的X值,就可使其带隙在0 1.45eV间变化,理论上可以探测1 m以上所有波长的红外辐射,具有中波红外、长波红外和超长波红外的波长灵活性和多色能力。而且,碲镉汞的有效质量小、电子迁移率高、少子寿命长,能够达到80%左右的极高量子效率。所有这些优点使其成为红外探测器中应用最广泛、最重要的材料。

2 量子阱红外探测器(Q W T P)材料

与传统探测器的探测机理不同,量子阱焦平面探测器是靠量子阱结构中光子和电子之间的量子力学相互作用来完成探测的。这种探测器使用带隙比较宽。 (GaAs为1.43 eV)的Ⅲ一V族材料,主要有光导型量子阱材料(GaAs/A1GaAs)和光伏型量子阱材料(InAs/InGaSb、InAs/InAsSb)两种类型。其中GaAs/GaAlAs材料体系发展得最为成熟,覆盖了从中波红外到超长波红外区域。采用这个材料体系制作量子阱红外探测器时.以GaAs作为量子阱材料,GaA1As作为量子势垒材料.通过选择合适的量子阱厚度和势垒材料组分.可使 量子阱红外探测器的响应波长满足8~14 m长波红外波段的要求。

与碲镉汞相比,量子阱红外探测器材料的优点是可提供更好的粘合强度、化学稳定性、掺杂能力以及热稳定性,加上GaAs/GaA1As材料体系的材料生长技术比较成熟。 3 非制冷红外探测器材料

非制冷红外探测器材料能够工作在室温状态.并具有稳定性好、成本低、功耗小、能大幅降低系统尺寸等优点,制造的焦平面阵列的像素尺寸已达到25 Ixm以下,且具有高灵敏度和高分辨率能力,是未来小型低成本热像仪的主流材料。从目前的发展水平来看,基于这种材料的非制冷红外热成像系统将主要装备单兵、小型无人机、无人车或作为遥控监视传感器。

目前以碲镉汞为代表的光子探测器已经获得了长足的发展. 而与碲镉汞探测器有着不同量子机理的量子阱红外探测器正崭露头角.对物体热特征分布的探测是对红外辐射感知的必然发展. 单元器件和二维机械扫描系统结合实现了第一代扫描成像探测技术, 红外焦平面器件将机械扫描转换为电扫描, 单个元器件演变为阵列器件,这就是第二代成像探测技术.

在单元器件发展到阵列器件过程中, 均匀性成为影响成像探测能力的关键. 目前碲镉汞红外焦平面器件在红外成像探测技术领域内举足轻重, 一如硅材料在微电子领域的地位. 然而由于碲镉汞中Hg-Te 结合键的相对脆弱, 材料和器件制备技术始终难以象硅工艺那样得到精确控制, 均匀性难度极大. QWIP 器件的主导材料是砷化镓基半导体, 材料与器件工艺仅次于硅工艺, 均匀性可以高约1个数量级.当然, 量子阱红外探测由其基本工作原理决定, 量子效率比碲镉汞红外探测器要小近1 个量级. QWIP 在均匀性上的优势以及在量子效率上的劣势决定了它与碲镉汞红外探测器件两者必然处于一种互补状态.

三、阱红外探测器工作机理

量子局域结构红外探测物理模型

3.1红外光耦合特性

由半导体异质材料组合而成的电子量子局域性限制结构中, QWIP 的光吸收相应于量子阱子带间的跃迁. 由于n 型量子阱材料如GaAs 中导带Г 能谷电子的有效质量是各向同性的. 器件对正入射辐射不吸收. 虽然p 型QWIP 中由于轻重空穴能带的混合,可以吸收正入射光, 但由于空穴的迁移率比电子要低得多. n 型器件还是人们研究的重点, 为了响应正入射光, 必须使用光栅.图1(a)是量子阱焦平面器件所用的二维衍射光栅示意图. 光从GaAs 衬底正入射. 散射矩阵方法的理论研究模型如图1(b)所示.

图 1 n QWIP型及其衍射光栅结构(a)和散射矩阵计算中(b), 光栅连同多量子阱层及GaAs衬底层一起被分成n层薄片

3.2 暗电流与光电流

AlGaAs 势垒区一般不掺杂, 载流子浓度很低,电场可以近似为常数; 而量子阱中的载流子浓度很高, 加之掺杂, 其中的电场可以忽略. 图2为对甚长波QWIP 计算得到的电子从发射极到第一个量子阱的输运几率以及相应电子态的占据几率.

由于势垒层很厚, 暗电流主要来源于能量高于势垒边的热激发电子。QWIP 中的电流由两部分组成: (ⅰ) 热电子从势垒边激发后从一个量子阱区输运到下一个量子阱区形成暗电流; (ⅱ) 基态电子光激发到激发态形成光生载流子, 然后在外电压下形成光电流. 两者的实验测量值如图3 所示, 图4 同时显示了与实验符合良好的理论计算结果

.

图2电子从发射极到第一个量子阱的输运几率以及相应电子态的占据几率

图3甚长波QWIP样品的光电流谱(a)和暗电流曲线(b)三角点线为实验测量的结果, 实线为理论计算的结果

四、QWIP 研制

QWIP 的研制离不开其具体应用背景. 如激光雷达中激光信号需要快速响应, 而空间低

温目标是冷背景. 因此在量子阱掺杂浓度、势垒宽度、光敏元几何结构、读出电路的功能、制冷封装等方面会有不同

的研制目标. 如何使用独特的量子剪裁效应, 做到某种程度的柔性匹配是研制中需要考虑的问题.

QWIP 材料制备方法

制备QWIP 材料的方法有两种, 分子束外延和金属氧化物化学气相沉积. 前者量子结构可在原子层尺度上严格可控, 但比较容易形成微缺陷; 后者的微缺陷密度低, 可以进行小批量生产应用. GaAs/AlGaAs 多量子阱结构材料可调节的参数包括: 量子阱宽度, 势垒高度, 量子阱中的掺杂浓度,量子阱周期数, 势垒宽度等. 参数优化的目的在于最大程度提升光电流、降低暗电流. 光电流是电子从基态激发到激发态并在电场驱动下漂移到电极过程的串连; 而暗电流之一是冷背景下就具有的纯粹电学意义上的暗电流, 来自量子阱内基态上的电子和电极费米面附近电子, 通过隧穿过程和热辅助过程形成电流; 之二是观测目标外的背景辐射形成的电流.当背景引起的暗电流开始上升到与电学意义暗电流相等时, 探测器就进入了背景限红外探测的工作模式.下面分别论述诸参数的设计.

调节量子阱的宽度和垒高, 在满足探测波长要求的情况下, 可以将第一激发态调制到与势垒边共振的准束缚态, 使光生载流子有最大迁移到电极的能力以增加光电流; 同时让基态能量离势垒最远, 抑制暗电流.量子阱中掺杂浓度由增大吸收系数、降低暗电流两者的平衡所决定. 高掺杂浓度会形成较大的吸收系数, 增大量子效率, 但同时也形成较大的暗电流,导致较大的噪声. 作为一种普遍参考的标准, GaAs/AlGaAs QWIP 要获得最佳的探测率, 其掺杂浓度所对应的费米能级约为2KBT; 而要获得最高的背景限工作温度, 则需要有约为KBT 的费米能级. 它们所对应的掺杂浓度分别约为5×109T·cm−2 和2.5×109T·cm−2.量子阱周期数的设计要兼顾材料的制备能力.周期数越多, 吸收率越大, 但材料厚度越大, 外延材料的质量也就越低. 当然吸收率的大小并非完全由量子阱周期数决定, 还与器件的几何结构和光学耦合途径密切有关, 优化的目的是获得最少周期数下的最大吸收率.大的势垒宽度可以抑制器件中上述电学意义的暗电流, 特别可以抑制隧穿电流. 在室温背景下, 背景红外辐射光激发的暗电流约在10−5 ~ 10−4 A/cm2 量级. 由量子阱间的传输几率以及隧穿频率计算可得, 9 μm 探测器背景限的势垒厚度约在20 ~ 30 nm.

五、发展分析

红外探测技术的发展趋势:一是红外焦平面阵列技术; 二是红外光电子物理;三是双波段探测; 四是复合探测。

综上所述.红外探测器材料技术是红外技术发展的核心和基础。近年来,随着固态技术的发展和半导体材料提纯和生长工艺的进步,红外探测器材料技术有了巨大的进展。这其中,多色、硅或锗衬底碲镉汞异质外延薄膜材料技术易于实现大尺寸、低成本,能提高探测器识别目标的能力,增加其抗干扰能力与带宽,是第三代红外探测器发展的关键材料之一,代表了红外探测器材料技术发展的重要方向。

量子阱红外探测器材料近年来发展迅速.长波阵列的性能已与碲镉汞阵列的性能相当。

它具有独特的结构特点,更易于实现大规格和多色探测能力,也是红外探测器材料技术的一个重要发展方向。

六、参考文献

[1]罗豪建,等.新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用[J].红外与激光工程,2008,37(1):30—33.

[2]吴欣,泽.非制冷红外的发展[J].兵器热成像技术,2003(5):

[3]雷亚贵,等.国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展[J].激光与红外.2007:801—805.

[4] 陆卫, 李宁, 王少伟, 等. 量子阱红外焦平面光伏探测器件的光敏元芯片. 发明专利, ZL01112709.0; 国际专利主分类号:

H01L 27/14, 2003-10-08

[5]熊大元, 曾勇, 李宁, 等. 甚长波量子阱红外探测器光栅耦合的研究. 物理学报, 2006, 55: 3642—3648

[6]罗豪建,等.新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用[J].红外与激光工程,2008,37(1):30—33.

七、科研训练心得:

1. 通过实习训练,我了解了一些有关红外探测材料性质和应用领域,

2. 了解的相关知识,并且初步接触了量子阱红外探测器材料的制研制

3. 但是由于时间有限,未能充分知晓红外探测的相关知识,有待日后继续学习。

4. 总的来说实习收获很大,感触很深。

范文九:红外激光瞄准器 投稿:赖锲锳

红外激光瞄准器

(cl)本产品采用原装进口激光二极管,体积小, 光线清晰,出光张角大,直线度高。我们可以制作固定焦点同时可以制作可调焦的红光线状激光器,请打零贰玖捌捌柒贰陆柒柒叁客户可以根据各种要求调整焦点。

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本文章由陕西日成科技提供

壹叁柒伍玖玖叁陆贰零陆

范文十:中红外光纤激光器 投稿:董壐壑

中红外光纤激光器

摘要

位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。利用固体激光器泵浦稀土离子掺杂的玻璃光纤产生荧光发射是直接获得2~5 μm 波段中红外激光的有效途径,具有光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好等优点。本文介绍了中红外光纤激光器的原理、研究现状和发展前景。对中红外光纤激光器的发展和研究方向进行了阐述。

关键词:中红外;光纤激光器;稀土离子;硫化物光纤;氟化物光纤

一、 中红外光纤激光器简介

1.1 中红外激光

位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。 它位于大气“透明窗口”,处于大多数军用探测器的工作波段, 可以进行战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全的激光雷达、激光定向红外干扰等军事用途。在民用领域可用于遥感化学传感、空气污染控制,它还可以用于新一代激光手术,使血液迅速凝结,手术创面小、止血性好(水分子在3μm附近有很强的吸收峰)此外,采用2~5 μm 替代目前广泛使用的1.55 μm 作为光纤通信工作波长也是一项极具研究价值的课题,由于材料的Rayleigh 散射与光波长的四次方成反比,采用2~5 μm 作为工作波长可以有效降低光纤损耗,增加无中继通信的距离。 因此,研发中红外波段的激光器对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。

获得中红外激光的方法有间接方法和直接方法。其中间接方法包括:

(1) CO2激光器的倍频及差频输出

(2) 利用非线性红外晶体采用非线性频率变换或光学参量振荡技术将其它波段激光调谐到中红外波段

直接方法包括:

(1)以氟化氘等为介质的化学激光器

(2) 以AlGaAsSb,InGaAsSb,InAs/(In)GaSb 等锑化物窄禁带半导体、过渡金属离子掺杂的Ⅱ–Ⅵ族半导体制作的中红外激光器

(3)近红外半导体激光泵浦的稀土离子或过渡金属离子掺杂的玻璃、

晶体的光纤激光器。

1.2 光纤激光器

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,主要由泵浦源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成, 结构如图1.1所示。

图1

光纤激光器的泵浦源由一个或多个大功率激光二极管构成, 其发出的泵浦光经耦合系统耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内, 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收, 形成粒子数反转, 受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。

光纤激光器的优点在于光纤激光器是波导式结构,易于实现和光纤的耦合。与传统的固体和气体激光器相比,光纤激光器的光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好。 在近红外波段(1~2μm),光纤激光器与光纤拉曼激光器已经广泛地应用于通信、工业、医疗、国防等领域。

中红外光纤激光器即在光纤激光器的基础上,通过改变光纤材料和掺杂离子种类和类型等手段来控制能产生谐振的波长,使激光器输出中红外波段激光。

二、 中红外光纤激光器的原理

2.1 激活离子的选择与泵浦

中红外光纤激光器的增益介质是稀土元素中的镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及与镧系的

15

个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素。镧系元素具有相同的外层电子结构, f-f组态之间有1 639 个跃迁能级,能级对之间的可能跃迁数高达199 177,可观察到的谱线高达30 000 多条,再加上f-d 组态之间存在的跃迁等,数目就更多了。但是要想实现2~5 μm 跃迁,上下跃迁能级能量间隔则需要处于2 000~3 300cm-1 之间。他们在中红外的能级图如图2所示

图2 中红外发光离子能级图

对这类稀土离子来说,谱线间的跃迁比较复杂,可能会带来问题。这时就需要用到共掺杂技术例如Ho3+,Pr3+共掺杂的ZBLAN激光器,能级图如

图2所示。基态Ho3+在抽运光作用下被激发到5I6能级,而发生于5I6能级的能量传递上转换(ETU)将会导致5I6能级上粒子数降低,因此需要尽量避

免。Ho3+的5I7能级到Pr3+的3F2能级的能量传递则会使得激光低能级5I7的粒子数迅速衰减,从而保证粒子数反转和激光器的稳定输出。由于3μm共餐掺Ho3+ZBLAN光纤激光器上能级ETU有着相对较高的速率系数,这将导致Ho3+的利用受到限制。因此,在设计光纤时既要保证有足够高浓度的Ho3+使抽运光得到充分吸收,同时又要有足够浓度的Pr3+使激光下能级5I7粒子数能够通过能量传递而减少,再通过Pr3+多声子衰减而迅速下降到基态。

图3 共掺杂Ho3+,Pr3+共掺杂能级图

2.2基质的选择

根据经典的光谱理论,稀土离子在某个激发态产生总跃迁几率(W)等于辐射跃迁几率(Wrad)与无福射跃迁几率(Wnr)之和。因此,稀土离子能级间产生中红外辐射跃迁几率往往受基质材料影响,即稀土离子和基质间的相互作用,主要体现在稀土离子的能量传递给玻璃基质的晶格振动,即引起多声子弛豫,也即激发态能级粒子的无辐射跃迁。多声子弛豫引起的无辐射跃迁几率为:

其中:

WNRW0.exp(E)(lnpi/g1)1

式中,W0 是带隙为零时且没有声子发射时的转移速率,为常数。Pi 为声

pi

E/。△E 为能级间的能量间隔,为声子能量。g 是子阶数,

电子与声子耦合强度。多声子过程的无辐射跃迁几率首先决定于声子阶数,即能级间的能量间隔和声子能量。 前者决定于稀土离子的能级结构而后者决定于基质本身。由左式可知,当两能级能量间隔△E固定不变时,多声子弛豫率主要是由材料晶格振动中的高能声子决定,声子频率越高,多声子无辐射弛豫几率也越大。

在稀土掺杂的玻璃材料中实现2μm 以上的荧光必须满足两个条件:

一 (1)具有大得多的折射率,根据Judd–Ofelt 理论可以推测具有较大的偶极子振荡强度,较大的折射率才能使玻璃中溶解的稀土离子周围产生强的局部电场而诱发大的受激辐射截面;(2)透红外界限高(>12 μm),具有非常低的声子能量(如图3所示),因而多声子弛豫引起的无辐射跃迁几率低,激发态寿命长,量子效率高。

由于石英材料的声子能量高达1100 cm-1,因此在波长大于2.2μm时传输损耗会很大,不能用于制作波长超过2.2μm的光纤激光器或光纤拉曼激光器。图2.1为各种基质玻璃的最大声子能量 ,分别为硼酸盐玻璃,磷酸盐玻璃,硅酸盐玻璃,锗玻璃玻璃,碲酸盐玻璃,氟化物玻璃,硫化物玻璃,硒化物玻璃。我们看到氟化物玻璃和硫化物玻璃最大声子能量相对较低。所以目前最常用的中红外光纤为硫化物光纤和氟化物(ZBLAN)光纤。他们都有两个特性

图4 各基质玻璃的声子能量

硫化物光纤主要包含一种或多种硫族元素如S、Se、Te等与少量其他元素如Ge、As、Sb等。硫系玻璃具有大得多的折射率(>2.3),有较大的偶极子振荡强度,并且较大的折射率会使硫系玻璃中溶解的稀土离子周围产生强的局部电场而诱发大的受激辐射截面;透红外界限高(>12 μm),具有非常低的声子能量,因而多声子弛豫引起的无辐射跃迁几率低,激发态寿命长,量子效率高。 以S元素或Se元素为主的光纤可以分别实现在0.8~7μm和1~10μm范围内的低损耗传输。特别地,As-Se光纤具有很高的非线性系数,一般为石英光纤的几百倍,并且其具有很窄的拉曼线宽(约60 cm-1)。利用这个特性,As-Se

硫化物光纤可以用于制作中红外拉曼光纤激

光器,这使实现比抽运光更长波长的光纤拉曼激光成为可能。

氟化物光纤由ZrF4,BaF2,LaF3,AlF3,NaF按一定的比率制成,这种材料的声子能量为550 cm-1,因此在波长小于6.0μm的范围内可以实现低损耗传输。 目前利用在氟化物光纤中掺杂Tm3+、Ho3+、Er3+等不同离子已实现2~3μm波段的多种激光输出。图2.2为石英玻璃和氟化物玻璃的色散曲线,1为石英玻璃,2为氟化物玻璃。氟化物玻璃的色散曲线要平坦得多。

图5 色散曲线图

三、 中红外光纤激光器的研究现状

近年来中红外光纤激光器的研究主要集中在光纤材料和掺杂浓度和制作工艺等方面。下面举几个典型的例子来说明中红外光纤激光器的研究现状。

2006年,Jackson等人用一个掺Tm3+石英光纤激光器抽运,对As-Se光纤拉曼激光特性进行了实验研究,如图所示。实验中使用的为As2Se3光纤 。抽运源的工作波长是2051 nm。可产生2062 nm,2102 nm和2166 nm的一级、二级、三级拉曼激光。其结构如图6所示。

图6 掺Tm3+石英光纤激光器

美国的海军实验室(Naval Research Lab,NRL)在2~5 μm中红外发光的稀土离子掺杂硫系玻璃和光纤研究与应用领域处于领先地位。图7为NRL 实验室集成的LD 泵浦掺Pr 硫系玻璃光纤装置实物图及光纤发射的2~5 μm 宽带荧光图谱。

图7掺Pr 硫系玻璃光纤装置

2008年,Eichhorn等[16]对掺Tm3+物质的量分数为2.5%的ZBLAN

纤激光器,输出2.3微米激光。使用2个792 nm半导体激光器抽运,将其输出功率提高到了20 W,斜率效率为49%,其实验原理如图3.3所示。掺Tm3+ ZBLAN光纤激光器近年来发展迅速,这是因为它在790 nm处有很宽的吸收带,从而为使用AlGaAs半导体激光器抽运提供了便利。

Er3+在4I13/2低能级较高寿命引起的粒子数瓶颈限制问题。Er3+与Pr3+之间的能量传递被认为是解决粒子数瓶颈限制的另一个方法。2006年,Zhu等利用双向抽运和菲涅耳反射镜,实现了4 m长和12 m长Er3+,Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的3μm输出,其斜率效率分别为20.95%和22.28%,其实验原理如图8所示。

图 8 Er3+,Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器

目前,3μm左右的ZBLAN中红外光纤激光器正在快速发展,相信不久之后将能达到百瓦量级,尤其是级联掺Er3+光纤激光器因其较低的掺杂浓度和温度最具前景,另外掺Ho3+光纤激光器也具有较好的应用前景。

由于硫化物低损耗传输波段更宽,因此利用拉曼硫化物光纤激光器和掺稀土硫化物光纤激光器可以实现更长波长的激光输出。但是制备硫化物光纤时的纯度成为了制约其发展的瓶颈,阻碍了硫化物光纤在中红外光纤激光器中的大范围使用。另外目前的硫化物玻璃材料机械、和热稳定性还比较差。一旦这些困难被克服,并且选择适合的掺杂物质及其浓度,将会实现硫化物光纤激光器超低损耗、高功率的稳定激光输出。

四、中红外光纤激光器的研究方向

中红外光纤激光器材料需要进一步研究解决的问题还很多,主要有以 下几个方面。

(1)改进提纯工艺,降低玻璃和光纤光学损耗。稀土离子在中红外区的发光要求基质材料具有很低的声子能量。常规的氧化物玻璃包括重金属氧化物玻璃都无法满足这一条件,无氧玻璃(包括氟化物和硫化物玻璃)因此受到重视。然而,目前无氧玻璃相比氧化物玻璃在原料高质量提纯、大尺寸制备、光纤拉制等方面的差距还较大,这是制约硫系玻璃和光纤发展的瓶颈,也是制约中红外发光稀土掺杂硫系玻璃光纤走向实用化的最大障碍。

(2)提高稀土离子浓度.鉴于高纯硫系、氟系玻璃及光纤的制备仍是一项困难的工作,因此作为中红外光纤激光器材料使用时,在保证不产生浓度淬灭现象的前提下希望尽可能地增加稀土离子浓度,以提高光纤单位长度增益。

(3)研究稀土共掺敏化和钝化提高中红外发光效率。目前稀土离子单掺的中红外发光特性的研究较多,而双掺和三掺的较少,利用离子敏化和钝化是进一步提高稀土离子中红外发光的重要发展方向之一。

五、总结

中红外光纤激光器在很多领域有着重要的应用。本文介绍了中红外光纤激光器的原理、研究现状和发展前景。对中红外光纤激光器的关键和研究的主要任务做了重点阐述。总之,一旦改进工艺,克服一些技术难题,中红外光纤激光器的发展前景是非常可观的。

参考文献

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