Nær-infrarøde til mid-infrarøde avstembare lasere

Ulike spektralområdedefinisjoner.

Generelt sett, når folk snakker om infrarøde lyskilder, refererer de til lys med vakuumbølgelengder større enn ~700–800 nm (den øvre grensen for det synlige bølgelengdeområdet).

Den nedre grensen for spesifikk bølgelengde er ikke klart definert i denne beskrivelsen fordi det menneskelige øyets oppfatning av infrarød sakte avtar i stedet for å avskjæres ved en klippe.

For eksempel er responsen fra lys ved 700 nm til det menneskelige øyet allerede veldig lav, men hvis lyset er sterkt nok, kan det menneskelige øyet til og med se lyset som sendes ut av noen laserdioder med bølgelengder som overstiger 750 nm, noe som også gjør infrarødt lasere en sikkerhetsrisiko. --Selv om det ikke er veldig lyst for det menneskelige øyet, kan dets faktiske kraft være veldig høy.

På samme måte, som det nedre grenseområdet til den infrarøde lyskilden (700~800 nm), er det øvre grensedefinisjonsområdet for den infrarøde lyskilden også usikkert. Generelt sett er det ca 1 mm.

Her er noen vanlige definisjoner av det infrarøde båndet:

Nær-infrarødt spektralområde (også kalt IR-A), rekkevidde ~750-1400 nm.

Lasere som sendes ut i dette bølgelengdeområdet er utsatt for støy og sikkerhetsproblemer for menneskelige øyne, fordi fokuseringsfunksjonen for det menneskelige øye er kompatibel med nær-infrarøde og synlige lysområder, slik at den nær-infrarøde båndlyskilden kan overføres og fokuseres til sensitiv netthinnen på samme måte, men det nær-infrarøde båndlyset Utløser ikke den beskyttende blinkrefleksen. Som et resultat blir det menneskelige øyes netthinnen skadet av overdreven energi på grunn av ufølsomhet. Derfor, når du bruker lyskilder i dette båndet, må full oppmerksomhet rettes mot øyebeskyttelse.

Kort bølgelengde infrarød (SWIR, IR-B) varierer fra 1,4-3 μm.

Dette området er relativt trygt for øynene fordi dette lyset absorberes av øyet før det når netthinnen. For eksempel opererer erbium-dopet fiberforsterkere som brukes i fiberoptisk kommunikasjon i denne regionen.

Mellombølge infrarød (MWIR) rekkevidde er 3-8 μm.

Atmosfæren viser sterk absorpsjon i deler av regionen; mange atmosfæriske gasser vil ha absorpsjonslinjer i dette båndet, slik som karbondioksid (CO2) og vanndamp (H2O). Også fordi mange gasser viser sterk absorpsjon i dette båndet. Sterke absorpsjonsegenskaper gjør at dette spektrale området er mye brukt for gassdeteksjon i atmosfæren.

Langbølge infrarød (LWIR) rekkevidde er 8-15 μm.

Neste er fjerninfrarød (FIR), som varierer fra 15 μm-1 mm (men det er også definisjoner som starter fra 50 μm, se ISO 20473). Denne spektrale regionen brukes først og fremst til termisk avbildning.

Denne artikkelen tar sikte på å diskutere utvalget av bredbåndsavstembare bølgelengdelasere med nær-infrarøde til middels-infrarøde lyskilder, som kan inkludere den kortbølgelengde infrarøde ovenfor (SWIR, IR-B, fra 1,4-3 μm) og en del av mellombølge infrarød (MWIR, rekkevidde er 3-8 μm).

Typisk bruk

En typisk anvendelse av lyskilder i dette båndet er identifisering av laserabsorpsjonsspektra i sporgasser (f.eks. fjernmåling i medisinsk diagnose og miljøovervåking). Her utnytter analysen de sterke og karakteristiske absorpsjonsbåndene til mange molekyler i det midt-infrarøde spektralområdet, som fungerer som "molekylære fingeravtrykk". Selv om man også kan studere noen av disse molekylene gjennom pan-absorpsjonslinjer i det nær-infrarøde området, siden nær-infrarøde laserkilder er lettere å forberede, er det fordeler med å bruke sterke fundamentale absorpsjonslinjer i det midt-infrarøde området med høyere følsomhet .

Ved mellominfrarød bildebehandling brukes også lyskilder i dette båndet. Folk utnytter vanligvis det faktum at mellominfrarødt lys kan trenge dypere inn i materialer og har mindre spredning. For eksempel, i tilsvarende hyperspektrale avbildningsapplikasjoner, kan nær-infrarød til midt-infrarød gi spektral informasjon for hver piksel (eller voxel).

På grunn av den fortsatte utviklingen av mellominfrarøde laserkilder, som fiberlasere, blir ikke-metalliske lasermaterialebehandlingsapplikasjoner mer og mer praktiske. Vanligvis drar folk fordel av den sterke absorpsjonen av infrarødt lys av visse materialer, for eksempel polymerfilmer, for å selektivt fjerne materialer.

Et typisk tilfelle er at transparente ledende filmer av indiumtinnoksid (ITO) som brukes til elektroder i elektroniske og optoelektroniske enheter, må struktureres ved selektiv laserablasjon. Et annet eksempel er presis stripping av belegg på optiske fibre. Effektnivåene som kreves i dette båndet for slike applikasjoner er vanligvis mye lavere enn de som kreves for applikasjoner som laserskjæring.

Nær-infrarøde til mid-infrarøde lyskilder brukes også av militæret til retningsbestemte infrarøde mottiltak mot varmesøkende missiler. I tillegg til høyere utgangseffekt som er egnet for å blende infrarøde kameraer, kreves det også bred spektral dekning innenfor det atmosfæriske overføringsbåndet (rundt 3-4 μm og 8-13 μm) for å forhindre at enkle hakkfiltre beskytter infrarøde detektorer.

Det atmosfæriske overføringsvinduet beskrevet ovenfor kan også brukes til optisk kommunikasjon med fritt rom via retningsstråler, og kvantekaskadelasere brukes i mange applikasjoner for dette formålet.

I noen tilfeller kreves mid-infrarøde ultrakorte pulser. For eksempel kan man bruke mellominfrarøde frekvenskammer i laserspektroskopi, eller utnytte de høye toppintensitetene til ultrakorte pulser for lasering. Dette kan genereres med en moduslåst laser.

Spesielt for nær-infrarøde til middels-infrarøde lyskilder har noen applikasjoner spesielle krav til skanning av bølgelengder eller bølgelengdeavstemming, og nær-infrarøde til middels-infrarøde bølgelengdejusterbare lasere spiller også en ekstremt viktig rolle i disse applikasjonene.

For eksempel, i spektroskopi, er mid-infrarøde avstembare lasere essensielle verktøy, enten det gjelder gassregistrering, miljøovervåking eller kjemisk analyse. Forskere justerer bølgelengden til laseren for nøyaktig å plassere den i det midt-infrarøde området for å oppdage spesifikke molekylære absorpsjonslinjer. På denne måten kan de få detaljert informasjon om materiens sammensetning og egenskaper, som å knekke en kodebok full av hemmeligheter.

Innen medisinsk bildebehandling spiller også mid-infrarøde avstembare lasere en viktig rolle. De er mye brukt i ikke-invasiv diagnostikk og bildeteknologi. Ved å justere bølgelengden til laseren nøyaktig, kan middels infrarødt lys trenge inn i biologisk vev, noe som resulterer i høyoppløselige bilder. Dette er viktig for å oppdage og diagnostisere sykdommer og abnormiteter, som et magisk lys som titter inn i menneskekroppens indre hemmeligheter.

Forsvars- og sikkerhetsfeltet er også uatskillelig fra bruken av mid-infrarøde avstembare lasere. Disse laserne spiller en nøkkelrolle i infrarøde mottiltak, spesielt mot varmesøkende missiler. For eksempel kan Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) beskytte fly mot å bli sporet og angrepet av missiler. Ved å raskt justere bølgelengden til laseren, kan disse systemene forstyrre veiledningssystemet til innkommende missiler og umiddelbart snu slaget, som et magisk sverd som vokter himmelen.

Fjernmålingsteknologi er et viktig middel for å observere og overvåke jorden, der infrarøde avstembare lasere spiller en nøkkelrolle. Felt som miljøovervåking, atmosfærisk forskning og jordobservasjon er alle avhengige av bruken av disse laserne. Midt-infrarøde avstembare lasere gjør det mulig for forskere å måle spesifikke absorpsjonslinjer for gasser i atmosfæren, og gir verdifulle data for å hjelpe klimaforskning, forurensningsovervåking og værvarsling, som et magisk speil som gir innsikt i naturens mysterier.

I industrielle omgivelser er mid-infrarøde avstembare lasere mye brukt for presisjonsmaterialbehandling. Ved å stille inn lasere til bølgelengder som er sterkt absorbert av visse materialer, muliggjør de selektiv ablasjon, skjæring eller sveising. Dette muliggjør presisjonsproduksjon innen områder som elektronikk, halvledere og mikromaskinering. Den mellom-infrarøde avstembare laseren er som en finpolert utskjæringskniv, som lar industrien skjære ut fint utskårne produkter og vise teknologiens glans.