Laditeľné lasery v blízkosti infračerveného až stredného infračerveného žiarenia

Rôzne definície spektrálneho rozsahu.

Všeobecne povedané, keď ľudia hovoria o zdrojoch infračerveného svetla, majú na mysli svetlo s vlnovými dĺžkami vákua väčšími ako ~700–800 nm (horná hranica rozsahu viditeľných vlnových dĺžok).

Špecifická dolná hranica vlnovej dĺžky nie je v tomto opise jasne definovaná, pretože vnímanie infračerveného žiarenia ľudským okom sa pomaly zmenšuje, než aby sa prerušilo na útese.

Napríklad odozva svetla pri 700 nm na ľudské oko je už veľmi nízka, ale ak je svetlo dostatočne silné, ľudské oko môže dokonca vidieť svetlo vyžarované niektorými laserovými diódami s vlnovými dĺžkami presahujúcimi 750 nm, čo tiež spôsobuje, že infračervené lasery predstavujú bezpečnostné riziko. --Aj keď to nie je pre ľudské oko veľmi jasné, jeho skutočná sila môže byť veľmi vysoká.

Podobne ako dolný limitný rozsah zdroja infračerveného svetla (700~800 nm), horný limitný rozsah definície zdroja infračerveného svetla je tiež neistý. Vo všeobecnosti je to asi 1 mm.

Tu je niekoľko bežných definícií infračerveného pásma:

Blízka infračervená spektrálna oblasť (tiež nazývaná IR-A), rozsah ~750-1400 nm.

Lasery emitované v tejto oblasti vlnových dĺžok sú náchylné na hluk a problémy s bezpečnosťou ľudského oka, pretože funkcia zaostrovania ľudského oka je kompatibilná s rozsahom blízkeho infračerveného a viditeľného svetla, takže svetelný zdroj v pásme blízkeho infračerveného svetla možno prenášať a zaostrovať do citlivá sietnica rovnakým spôsobom, ale blízke infračervené svetlo nespúšťa ochranný reflex žmurkania. V dôsledku toho je sietnica ľudského oka poškodená nadmernou energiou v dôsledku necitlivosti. Preto pri použití svetelných zdrojov v tomto pásme treba venovať plnú pozornosť ochrane zraku.

Krátkovlnná infračervená (SWIR, IR-B) rozsah od 1,4-3 μm.

Táto oblasť je pre oči relatívne bezpečná, pretože toto svetlo je absorbované okom skôr, ako dosiahne sietnicu. Napríklad erbiom dopované vláknové zosilňovače používané v komunikáciách z optických vlákien fungujú v tejto oblasti.

Stredné vlnové infračervené (MWIR) dosah je 3-8 μm.

Atmosféra vykazuje silnú absorpciu v častiach regiónu; mnoho atmosférických plynov bude mať absorpčné čiary v tomto pásme, ako je oxid uhličitý (CO2) a vodná para (H2O). Tiež preto, že mnohé plyny vykazujú silnú absorpciu v tomto pásme Vďaka silným absorpčným charakteristikám je táto spektrálna oblasť široko používaná na detekciu plynov v atmosfére.

Infračervené žiarenie s dlhými vlnami (LWIR) je 8-15 μm.

Ďalej je to ďaleko infračervené (FIR), ktoré sa pohybuje od 15 μm do 1 mm (ale existujú aj definície začínajúce od 50 μm, pozri ISO 20473). Táto spektrálna oblasť sa primárne používa na tepelné zobrazovanie.

Cieľom tohto článku je diskutovať o výbere širokopásmových laserov s laditeľnou vlnovou dĺžkou so zdrojmi blízkeho infračerveného až stredného infračerveného svetla, ktoré môžu zahŕňať vyššie uvedené krátkovlnné infračervené (SWIR, IR-B, v rozsahu od 1,4 do 3 μm) a časť infračervené stredové vlny (MWIR, rozsah je 3-8 μm).

Typická aplikácia

Typickou aplikáciou svetelných zdrojov v tomto pásme je identifikácia laserových absorpčných spektier v stopových plynoch (napr. diaľkové snímanie v lekárskej diagnostike a monitorovaní životného prostredia). Tu analýza využíva silné a charakteristické absorpčné pásy mnohých molekúl v strednej infračervenej spektrálnej oblasti, ktoré slúžia ako "molekulárne odtlačky prstov". Aj keď je možné niektoré z týchto molekúl študovať aj prostredníctvom pan-absorpčných línií v blízkej infračervenej oblasti, keďže laserové zdroje v blízkej infračervenej oblasti sa dajú ľahšie pripraviť, je výhodné použiť silné základné absorpčné čiary v strednej infračervenej oblasti s vyššou citlivosťou. .

V strednom infračervenom zobrazení sa používajú aj svetelné zdroje v tomto pásme. Ľudia zvyčajne využívajú skutočnosť, že stredné infračervené svetlo môže preniknúť hlbšie do materiálov a má menší rozptyl. Napríklad v zodpovedajúcich aplikáciách hyperspektrálneho zobrazovania môže blízke infračervené až stredné infračervené žiarenie poskytnúť spektrálne informácie pre každý pixel (alebo voxel).

Vďaka pokračujúcemu vývoju stredných infračervených laserových zdrojov, ako sú vláknové lasery, sa aplikácie na spracovanie nekovových laserových materiálov stávajú čoraz praktickejšími. Ľudia zvyčajne využívajú silnú absorpciu infračerveného svetla určitými materiálmi, ako sú polymérové ​​filmy, na selektívne odstraňovanie materiálov.

Typickým prípadom je, že priehľadné vodivé filmy oxidu india a cínu (ITO) používané pre elektródy v elektronických a optoelektronických zariadeniach musia byť štruktúrované selektívnou laserovou abláciou. Ďalším príkladom je presné odstraňovanie povlakov na optických vláknach. Úrovne výkonu požadované v tomto pásme pre takéto aplikácie sú zvyčajne oveľa nižšie ako úrovne potrebné pre aplikácie, ako je rezanie laserom.

Zdroje blízkeho infračerveného až stredného infračerveného svetla používa armáda aj na smerové infračervené protiopatrenia proti raketám hľadajúcim teplo. Okrem vyššieho výstupného výkonu vhodného pre oslepujúce infračervené kamery je potrebné aj široké spektrálne pokrytie v rámci pásma prenosu atmosféry (okolo 3-4 μm a 8-13 μm), aby sa zabránilo jednoduchým vrúbkovým filtrom chrániť infračervené detektory.

Vyššie opísané atmosférické prenosové okno možno použiť aj na optickú komunikáciu vo voľnom priestore prostredníctvom smerových lúčov a na tento účel sa v mnohých aplikáciách používajú kvantové kaskádové lasery.

V niektorých prípadoch sú potrebné stredné infračervené ultrakrátke impulzy. Napríklad by sa dali použiť hrebene so strednou infračervenou frekvenciou v laserovej spektroskopii alebo využiť vysoké špičkové intenzity ultrakrátkych impulzov na lasovanie. Toto môže byť generované laserom s uzamknutým režimom.

Najmä pre blízke infračervené až stredné infračervené svetelné zdroje majú niektoré aplikácie špeciálne požiadavky na skenovanie vlnových dĺžok alebo laditeľnosť vlnových dĺžok a lasery s laditeľnou vlnovou dĺžkou blízkej infračervenej až strednej infračervenej oblasti tiež zohrávajú v týchto aplikáciách mimoriadne dôležitú úlohu.

Napríklad v spektroskopii sú stredno-infračervené laditeľné lasery základnými nástrojmi, či už pri snímaní plynov, monitorovaní životného prostredia alebo chemickej analýze. Vedci upravujú vlnovú dĺžku lasera tak, aby ho presne umiestnili do stredného infračerveného rozsahu, aby detekovali špecifické molekulárne absorpčné čiary. Takto môžu získať podrobné informácie o zložení a vlastnostiach hmoty, ako napríklad rozlúštenie kódovej knihy plnej tajomstiev.

V oblasti medicínskeho zobrazovania zohrávajú dôležitú úlohu aj stredno-infračervené laditeľné lasery. Sú široko používané v neinvazívnych diagnostických a zobrazovacích technológiách. Presným vyladením vlnovej dĺžky lasera môže stredné infračervené svetlo preniknúť do biologického tkaniva, čo vedie k snímkam s vysokým rozlíšením. To je dôležité pre detekciu a diagnostiku chorôb a abnormalít, ako magické svetlo nahliadajúce do vnútorných tajomstiev ľudského tela.

Oblasť obrany a bezpečnosti je tiež neoddeliteľná od aplikácie stredno-infračervených laditeľných laserov. Tieto lasery hrajú kľúčovú úlohu v infračervených protiopatreniach, najmä proti raketám hľadajúcim teplo. Napríklad Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) dokáže ochrániť lietadlá pred sledovaním a napadnutím raketami. Rýchlym nastavením vlnovej dĺžky lasera môžu tieto systémy zasahovať do navádzacieho systému prilietavajúcich rakiet a okamžite zvrátiť priebeh bitky ako magický meč strážiaci oblohu.

Technológia diaľkového prieskumu Zeme je dôležitým prostriedkom na pozorovanie a monitorovanie Zeme, v ktorom hrajú kľúčovú úlohu infračervené laditeľné lasery. Oblasti ako monitorovanie životného prostredia, výskum atmosféry a pozorovanie Zeme sa spoliehajú na použitie týchto laserov. Stredne infračervené laditeľné lasery umožňujú vedcom merať špecifické absorpčné línie plynov v atmosfére a poskytujú cenné údaje na pomoc pri výskume klímy, monitorovaní znečistenia a predpovedi počasia, ako magické zrkadlo, ktoré poskytuje pohľad do tajomstiev prírody.

V priemyselnom prostredí sa stredno-infračervené laditeľné lasery široko používajú na presné spracovanie materiálov. Vyladením laserov na vlnové dĺžky, ktoré sú silne absorbované určitými materiálmi, umožňujú selektívnu abláciu, rezanie alebo zváranie. To umožňuje presnú výrobu v oblastiach ako elektronika, polovodiče a mikroobrábanie. Stredne infračervený laditeľný laser je ako jemne leštený rezbársky nôž, ktorý umožňuje priemyslu vyrezávať jemne vyrezávané produkty a ukázať brilantnosť technológie.