femtum中红外超连续谱激光器的部分应用领域介绍

femtum超连续谱光源通常是一种脉冲激光（纳秒、皮秒或飞秒级），它被转换成具有非常宽光谱的光信号，如图1所示。与灯、LED甚至太阳等标准照明宽带光源相比，超连续光源具有激光器最大的固有优势之一：它们具有方向性，在某些情况下还具有相干性。因此，这种类型的激光器可以在光纤中有效地注入和引导，进行远距离准直，甚至聚焦在一个非常小的光斑内，与其他宽带光源相比，这大大提高了它们的亮度。

图1：具有水(H2O)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)吸收带的中红外超连续谱源示意图。

中红外超连续激光器有哪些应用？

中红外光谱区是SC光源开发中最神奇的波段区域，因为它包含了几种材料和分子的基本吸收。因此，中红外SC激光器主要应用于成像和光谱学。以下是它们比较有前景的应用。

光学相干层析成像

光学相干层析成像（OCT）是一种成像技术，它利用光在漫反射介质中的散射特性，以非常高的精度对物体进行体积成像。该技术主要用于医学成像和工业无损检测（NDT）。

与传统近红外OCT [1]相比，中红外光学相干层析成像允许更高的穿透深度和更高的分辨率。主要原因很简单：波长较长时散射损耗较低。

如图2所示，信用卡中的电子芯片由高度散射的聚合物层、硅微处理器和小型电路组成，与标准的近红外OCT成像系统相比，使用中红外SC源可以更好地进行体积成像。

图2：使用中红外OCT对信用卡内部的电子芯片进行3D成像。标准近红外OCT图像和中红外OCT图像之间的比较显示在d）中，并强调了这种方法在中红外中的优势[1]。

高光谱成像

另一方面，材料和生物组织独特的红外吸收特性，为显微镜和生物成像诊断提供了另一个领域。基于超连续谱源的高光谱成像技术收集材料的空间和光谱信息，由于这些激光的高亮度，其信噪比远高于基于FTIR的标准红外成像技术。当不同类型的材料或组织必须在同一张图像中分类或区分以检测癌症或异常时，这是一个很大的优势[2]。图2显示了使用中红外超连续光源获得的结肠组织多光谱图像的示例，并与可见光和共焦图像进行了比较。

图3：结肠组织的成像。a)共焦成像，b)可见光成像，c)-d)-e)不同SC波长的光谱成像和f)显示图像c)、d)和e)的光谱-空间映射的合成图像。取自[2]。

遥感

中红外超连续谱激光器还可以应用于远程检测，和识别一个物体内的多种气体，因为它们的宽带特性可以覆盖最常见气体（如二氧化碳、甲烷、氨等）的基本吸收。因此，这些光源可以用于监测炼油厂、工厂或其他工业建筑的温室气体排放。图4给出了此类应用的简化示例。SC源还用于燃烧系统[3]或炸药[4]的远程检测和表征。

图4：监测工业建筑排放的温室气体（CO2、甲烷等）的简化方案。

红外对抗

3-5µm大气传输窗口是国防应用的一个重要领域。一些最新的热寻的导弹（毒刺、响尾蛇等）包括红外探测器，可以引导这些导弹穿过特定目标。这种导弹中使用的探测器对飞行器的高温部件非常敏感，比如转子或喷嘴，它们的黑体排放量约为4µm。

对抗这些导弹并使其错过目标的一种方法是用宽带、高功率中红外SC源使其内部集成的探测器盲目[5]。这些包括SC激光器的定向红外对抗（DIRCM）系统以与图6类似的方式放置在机载车辆上，并具有一个旋转臂，用于扫描飞机或直升机周围非常大的体积。

图6：固定在飞机底部的直接红外对抗(DIRCM)系统的示意图示例。被中红外SC源致盲的导弹偏离其轨迹并错过目标。图片取自[6]。

超快光子学

最后但并非最不重要的一点是，光学实验室也广泛使用或研究中红外超连续光源，以稳定频率梳状激光器[7]或在中红外[8]中产生少量周期脉冲。在大多数应用中，中红外超连续谱的相干特性至关重要。

参考资料:

[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 supercontinuum source”, Optics Letters, 2018, vol. 43, p.999-1002.

[3] 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.

[4] M. Kumar et al., “Stand-off detection of solid targets with diffuse relfection spectroscopy using 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 countermeasures techniques”, Proc. SPIE 5615, 2004, p. 27-38.

[6]https://www.intelligent-aerospace.com/commercial/article/16538271/elbit-systems-wins-265-million-contract-to-supply-advanced-infrared-countermeasure-systems-for-widebody-jets

[7] 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.

[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.