Hvorfor er de klassiske infrarøde bølgelengdene 808nm, 1064nm og 1550nm?

1. Lyskilde (laser)

De grunnleggende komponentene i enlaserkan deles inn i tre deler: en pumpekilde (som gir energi for å oppnå populasjonsinversjon i arbeidsmediet); et arbeidsmedium (som har en passende energinivåstruktur som muliggjør populasjonsinversjon under påvirkning av pumpen, slik at elektroner kan gå over fra høye energinivåer til lavere nivå og frigjøre energi i form av fotoner); og et resonanshulrom.

Egenskapene til arbeidsmediet bestemmer bølgelengden til laserlyset som sendes ut.

Mainstream-laseren med en bølgelengde på 808nm er en halvlederlaser. Båndgapenergien til halvlederen bestemmer bølgelengden til laserlyset som sendes ut, noe som gjør 808nm til en relativt vanlig operasjonsbølgelengde. 808nm-typen halvlederlaser er også en av de tidligste og mest forsket på. Den aktive regionen består av enten aluminiumholdige materialer (som InAlGaAs) eller aluminiumfrie materialer (som GaAsP). Denne typen laser gir fordeler som lav pris, høy effektivitet og lang levetid.

1064nm er også en klassisk bølgelengde for solid-state lasere. Arbeidsmaterialet er en neodym (Nd)-dopet YAG (yttrium aluminium granat Y3AI5012) krystall. Aluminiumionene i YAG-krystallen samhandler synergistisk med de Nd-dopete kationene, og skaper en passende romlig struktur og energibåndstruktur. Under påvirkning av eksitasjonsenergi, eksiteres Nd-kationene til en eksitert tilstand, gjennomgår radioaktive overganger og genererer lasering. Videre tilbyr Nd:YAG-krystaller utmerket stabilitet og relativt lang levetid.

1550nm lasere kan også genereres ved hjelp av halvlederlasere. Vanlig brukte halvledermaterialer inkluderer InGaAsP, InGaAsN og InGaAlAs.

2. Bruk og applikasjoner

Det infrarøde båndet har en rekke bruksområder, for eksempel optisk kommunikasjon, helsetjenester, biomedisinsk bildebehandling, laserbehandling og mer.

Ta optisk kommunikasjon som et eksempel. Nåværende fiberoptisk kommunikasjon bruker kvartsfiber. For å sikre at lys kan bære informasjon over lange avstander uten tap, må vi vurdere hvilke bølgelengder av lys som best overføres gjennom fiberen.

I det nær-infrarøde båndet avtar tapet av vanlig kvartsfiber med økende bølgelengde, unntatt urenhetsabsorpsjonstopper. Tre bølgelengde "vinduer" med svært lavt tap eksisterer ved 0,85 μm, 1,31 μm og 1,55 μm. Emisjonsbølgelengden til lyskildelaseren og bølgelengderesponsen til fotodetektorfotodioden må være på linje med disse tre bølgelengdevinduene. Spesifikt, under laboratorieforhold, har tapet ved 1,55 μm nådd 0,1419 dB/km, og nærmet seg den teoretiske tapsgrensen for kvartsfiber.

Lys i dette bølgelengdeområdet kan penetrere biologisk vev relativt godt, og har anvendelser i områder som fototermisk terapi. For eksempel, Yue et al. konstruerte heparin-folatmålrettede nanopartikler ved bruk av cyanin nær-infrarødt fargestoff IR780, som har en maksimal absorpsjonsbølgelengde på omtrent 780 nm og en emisjonsbølgelengde på 807 nm. Ved en konsentrasjon på 10 mg/ml økte laserbestråling (808 nm laser, 0,6 W/cm² effekttetthet) i 2 minutter temperaturen fra 23°C til 42°C. En dose på 1,4 mg/kg ble administrert til mus som hadde folatreseptor-positive MCF-7-svulster, og svulstene ble bestrålt med 808 nm laserlys (0,8 W/cm²) i 5 minutter. Signifikant tumorkrymping ble observert i løpet av de påfølgende dagene.

Andre bruksområder inkluderer infrarød lidar. Det nåværende 905 nm bølgelengdebåndet har svake værinterferensegenskaper og utilstrekkelig penetrasjon i regn og tåke. Laserstråling ved 1,5 μm faller innenfor det atmosfæriske vinduet på 1,5–1,8 μm, noe som resulterer i lav dempning i luft. Videre faller 905 nm innenfor det øyefarlige båndet, noe som krever strømbegrensning for å minimere skade. Imidlertid er 1550 nm øyesikker, så den finner også bruk i lidar.

Oppsummert,lasereved disse bølgelengdene er både modne og kostnadseffektive, og de viser utmerket ytelse i ulike applikasjoner. Disse faktorene til sammen har ført til utbredt bruk av lasere i disse bølgelengdene.