Prečo sú klasické infračervené vlnové dĺžky 808nm, 1064nm a 1550nm?

1. Svetelný zdroj (laser)

Základné zložky alasermožno rozdeliť na tri časti: zdroj čerpadla (ktorý poskytuje energiu na dosiahnutie inverzie obyvateľstva v pracovnom médiu); pracovné médium (ktoré má vhodnú štruktúru energetickej hladiny, ktorá umožňuje inverziu populácie pôsobením pumpy, čo umožňuje elektrónom prechod z vysokej energetickej hladiny na nižšiu hladinu a uvoľnenie energie vo forme fotónov); a rezonančná dutina.

Vlastnosti pracovného média určujú vlnovú dĺžku vyžarovaného laserového svetla.

Hlavný laser s vlnovou dĺžkou 808 nm je polovodičový laser. Energia zakázaného pásma polovodiča určuje vlnovú dĺžku vyžarovaného laserového svetla, vďaka čomu je 808 nm relatívne bežnou prevádzkovou vlnovou dĺžkou. 808nm typ polovodičového lasera je tiež jedným z prvých a najintenzívnejšie skúmaných. Jeho aktívna oblasť pozostáva buď z materiálov obsahujúcich hliník (ako je InAlGaAs) alebo z materiálov bez obsahu hliníka (ako je GaAsP). Tento typ lasera ponúka výhody ako nízka cena, vysoká účinnosť a dlhá životnosť.

1064nm je tiež klasická vlnová dĺžka pre pevnolátkové lasery. Pracovným materiálom je kryštál YAG (ytrium-hliník granát Y3AI5012) dopovaný neodýmom (Nd). Hliníkové ióny v kryštáli YAG synergicky interagujú s katiónmi dotovanými Nd, čím vytvárajú vhodnú priestorovú štruktúru a štruktúru energetického pásu. Pôsobením excitačnej energie sa katióny Nd excitujú do excitovaného stavu, pričom prechádzajú rádioaktívnymi prechodmi a generujú laserové žiarenie. Okrem toho kryštály Nd:YAG ponúkajú vynikajúcu stabilitu a relatívne dlhú životnosť.

1550nm lasery môžu byť generované aj pomocou polovodičových laserov. Bežne používané polovodičové materiály zahŕňajú InGaAsP, InGaAsN a InGaAlAs.

2. Použitie a aplikácie

Infračervené pásmo má množstvo aplikácií, ako je optická komunikácia, zdravotníctvo, biomedicínske zobrazovanie, laserové spracovanie a ďalšie.

Zoberme si ako príklad optickú komunikáciu. Súčasná komunikácia s optickými vláknami využíva kremenné vlákno. Aby sme zabezpečili, že svetlo môže prenášať informácie na veľké vzdialenosti bez straty, musíme zvážiť, ktoré vlnové dĺžky svetla sa najlepšie prenášajú cez vlákno.

V pásme blízkej infračervenej oblasti sa strata obyčajného kremenného vlákna znižuje so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou, s vylúčením vrcholov absorpcie nečistôt. Existujú tri "okná" vlnových dĺžok s veľmi nízkou stratou pri 0,85 μm, 1,31 μm a 1,55 μm. Emisná vlnová dĺžka laserového zdroja svetla a odozva vlnovej dĺžky fotodiódy fotodetektora sa musia zhodovať s týmito tromi oknami vlnových dĺžok. Konkrétne v laboratórnych podmienkach strata pri 1,55 μm dosiahla 0,1419 dB/km, čo sa blíži k teoretickému limitu straty pre kremenné vlákno.

Svetlo v tomto rozsahu vlnových dĺžok môže relatívne dobre prenikať do biologických tkanív a má uplatnenie v oblastiach, ako je fototermálna terapia. Napríklad Yue a kol. skonštruovali nanočastice cielené na heparín-folát pomocou cyanínového blízkeho infračerveného farbiva IR780, ktoré má maximálnu vlnovú dĺžku absorpcie približne 780 nm a vlnovú dĺžku emisie 807 nm. Pri koncentrácii 10 mg/ml laserové ožarovanie (laser 808 nm, hustota výkonu 0,6 W/cm²) počas 2 minút zvýšilo teplotu z 23 °C na 42 °C. Dávka 1,4 mg/kg sa podávala myšiam nesúcim nádory MCF-7 pozitívne na folátový receptor a nádory sa ožarovali 808 nm laserovým svetlom (0,8 W/cm2) počas 5 minút. Počas nasledujúcich dní bolo pozorované výrazné zmenšovanie nádoru.

Medzi ďalšie aplikácie patrí infračervený lidar. Súčasné vlnové pásmo 905 nm má slabé rušivé schopnosti počasia a nedostatočnú penetráciu do dažďa a hmly. Laserové žiarenie s hrúbkou 1,5 μm spadá do atmosférického okna 1,5–1,8 μm, čo vedie k nízkemu útlmu vo vzduchu. Okrem toho 905 nm spadá do pásma nebezpečného pre oči, čo si vyžaduje obmedzenie výkonu, aby sa minimalizovalo poškodenie. 1550 nm je však pre oči bezpečné, a tak nájde uplatnenie aj v lidare.

v súhrnelaserypri týchto vlnových dĺžkach sú vyspelé a nákladovo efektívne a vykazujú vynikajúci výkon v rôznych aplikáciách. Kombinácia týchto faktorov viedla k širokému používaniu laserov v týchto vlnových dĺžkach.