Laditelné lasery blízké infračervené až střední infračervené oblasti

Různé definice spektrálního rozsahu.

Obecně řečeno, když lidé mluví o zdrojích infračerveného světla, mají na mysli světlo s vlnovými délkami vakua většími než ~700–800 nm (horní hranice rozsahu vlnových délek viditelného záření).

Konkrétní spodní hranice vlnové délky není v tomto popisu jasně definována, protože vnímání infračerveného záření lidským okem pomalu klesá, místo aby se odřízlo na útesu.

Například odezva světla na vlnové délce 700 nm na lidské oko je již velmi nízká, ale pokud je světlo dostatečně silné, lidské oko může dokonce vidět světlo vyzařované některými laserovými diodami s vlnovými délkami přesahujícími 750 nm, což také činí infračervené lasery představují bezpečnostní riziko. --I když to není pro lidské oko příliš jasné, jeho skutečná síla může být velmi vysoká.

Podobně jako dolní limitní rozsah zdroje infračerveného světla (700~800 nm), horní limitní rozsah definice zdroje infračerveného světla je rovněž nejistý. Obecně řečeno je to asi 1 mm.

Zde jsou některé běžné definice infračerveného pásma:

Blízká infračervená spektrální oblast (také nazývaná IR-A), rozsah ~750-1400 nm.

Lasery emitované v této oblasti vlnových délek jsou náchylné k šumu a problémům s bezpečností lidského oka, protože funkce zaostřování lidského oka je kompatibilní s rozsahem blízkého infračerveného a viditelného světla, takže zdroj světla v pásmu blízkého infračerveného záření lze přenášet a zaostřovat do citlivá sítnice stejným způsobem, ale blízké infračervené světlo nespouští ochranný mrkací reflex. V důsledku toho dochází k poškození sítnice lidského oka nadměrnou energií v důsledku necitlivosti. Při použití světelných zdrojů v tomto pásmu je proto třeba věnovat plnou pozornost ochraně zraku.

Infračervené záření s krátkou vlnovou délkou (SWIR, IR-B) se pohybuje v rozmezí 1,4-3 μm.

Tato oblast je pro oči relativně bezpečná, protože toto světlo je okem absorbováno dříve, než dosáhne sítnice. Například erbiem dopované vláknové zesilovače používané v optických komunikacích fungují v této oblasti.

Rozsah středních vln infračerveného záření (MWIR) je 3-8 μm.

Atmosféra vykazuje silnou absorpci v částech regionu; mnoho atmosférických plynů bude mít absorpční čáry v tomto pásmu, jako je oxid uhličitý (CO2) a vodní pára (H2O). Také proto, že mnoho plynů vykazuje silnou absorpci v tomto pásmu Díky silným absorpčním charakteristikám je tato spektrální oblast široce používána pro detekci plynů v atmosféře.

Dlouhovlnný infračervený (LWIR) rozsah je 8-15 μm.

Další je daleko infračervené (FIR), které se pohybuje od 15 μm-1 mm (ale existují i ​​definice začínající od 50 μm, viz ISO 20473). Tato spektrální oblast se primárně používá pro termovizi.

Tento článek si klade za cíl diskutovat o výběru širokopásmových laserů s laditelnou vlnovou délkou se zdroji blízkého infračerveného až středního infračerveného světla, které mohou zahrnovat výše uvedené krátkovlnné infračervené (SWIR, IR-B, v rozmezí 1,4-3 μm) a část střední vlnové infračervené (MWIR, rozsah je 3-8 μm).

Typická aplikace

Typickou aplikací světelných zdrojů v tomto pásmu je identifikace laserových absorpčních spekter ve stopových plynech (např. dálkové snímání v lékařské diagnostice a monitorování životního prostředí). Zde analýza využívá silné a charakteristické absorpční pásy mnoha molekul ve střední infračervené spektrální oblasti, které slouží jako „molekulární otisky“. I když je možné některé z těchto molekul studovat také prostřednictvím pan-absorpčních čar v blízké infračervené oblasti, protože blízké infračervené laserové zdroje se snáze připravují, existují výhody použití silných základních absorpčních čar ve střední infračervené oblasti s vyšší citlivostí. .

Při zobrazování ve střední infračervené oblasti se také používají světelné zdroje v tomto pásmu. Lidé obvykle využívají toho, že střední infračervené světlo může pronikat hlouběji do materiálů a má menší rozptyl. Například v odpovídajících aplikacích hyperspektrálního zobrazování může blízké infračervené až střední infračervené poskytovat spektrální informace pro každý pixel (nebo voxel).

Díky pokračujícímu vývoji středních infračervených laserových zdrojů, jako jsou vláknové lasery, se aplikace zpracování nekovových laserových materiálů stávají stále praktičtějšími. Lidé obvykle využívají silné absorpce infračerveného světla určitými materiály, jako jsou polymerní filmy, k selektivnímu odstraňování materiálů.

Typickým případem je, že transparentní vodivé filmy z oxidu india a cínu (ITO) používané pro elektrody v elektronických a optoelektronických zařízeních musí být strukturovány selektivní laserovou ablací. Dalším příkladem je přesné odstraňování povlaků na optických vláknech. Úrovně výkonu požadované v tomto pásmu pro takové aplikace jsou obvykle mnohem nižší než úrovně požadované pro aplikace, jako je řezání laserem.

Blízké infračervené až střední infračervené světelné zdroje používá armáda také pro směrová infračervená protiopatření proti střelám vyhledávajícím teplo. Kromě vyššího výstupního výkonu vhodného pro oslepující infračervené kamery je také vyžadováno široké spektrální pokrytí v rámci pásma přenosu atmosféry (kolem 3-4 μm a 8-13 μm), aby se zabránilo ochraně infračervených detektorů jednoduchými vrubovými filtry.

Výše popsané atmosférické přenosové okno lze také použít pro optickou komunikaci ve volném prostoru prostřednictvím směrových paprsků a v mnoha aplikacích se pro tento účel používají kvantové kaskádové lasery.

V některých případech jsou vyžadovány střední infračervené ultrakrátké pulzy. Například by bylo možné použít hřebeny se střední infračervenou frekvencí v laserové spektroskopii nebo využít vysoké špičkové intenzity ultrakrátkých pulzů pro laserové záření. To lze generovat laserem s uzamčeným režimem.

Zejména pro blízké infračervené až střední infračervené světelné zdroje mají některé aplikace speciální požadavky na skenování vlnových délek nebo laditelnost vlnových délek a lasery s laditelnou vlnovou délkou blízké infračervené až střední infračervené oblasti také hrají v těchto aplikacích mimořádně důležitou roli.

Například ve spektroskopii jsou střední infračervené laditelné lasery základními nástroji, ať už při snímání plynů, monitorování životního prostředí nebo chemické analýzy. Vědci upravují vlnovou délku laseru tak, aby jej přesně umístili do středního infračerveného rozsahu, aby detekovali specifické molekulární absorpční linie. Mohou tak získat podrobné informace o složení a vlastnostech hmoty, jako když rozluští kódovou knihu plnou tajemství.

V oblasti lékařského zobrazování hrají důležitou roli také středně infračervené laditelné lasery. Jsou široce používány v neinvazivních diagnostických a zobrazovacích technologiích. Přesným vyladěním vlnové délky laseru může střední infračervené světlo proniknout do biologické tkáně, což vede k obrazům s vysokým rozlišením. To je důležité pro detekci a diagnostiku nemocí a abnormalit, jako magické světlo nahlížející do vnitřních tajemství lidského těla.

Oblast obrany a bezpečnosti je také neoddělitelná od aplikace středně infračervených laditelných laserů. Tyto lasery hrají klíčovou roli v infračervených protiopatřeních, zejména proti střelám vyhledávajícím teplo. Například Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) může chránit letadla před sledováním a napadením raketami. Rychlým nastavením vlnové délky laseru mohou tyto systémy zasahovat do naváděcího systému přilétajících střel a okamžitě zvrátit průběh bitvy jako magický meč střežící oblohu.

Technologie dálkového průzkumu Země je důležitým prostředkem pro pozorování a monitorování Země, ve kterém hrají klíčovou roli infračervené laditelné lasery. Oblasti, jako je monitorování životního prostředí, výzkum atmosféry a pozorování Země, všechny spoléhají na použití těchto laserů. Středně infračervené laditelné lasery umožňují vědcům měřit specifické absorpční linie plynů v atmosféře a poskytují cenná data, která pomáhají výzkumu klimatu, monitorování znečištění a předpovědi počasí, jako magické zrcadlo, které poskytuje vhled do záhad přírody.

V průmyslovém prostředí jsou středně infračervené laditelné lasery široce používány pro přesné zpracování materiálů. Naladěním laserů na vlnové délky, které jsou silně absorbovány určitými materiály, umožňují selektivní ablaci, řezání nebo svařování. To umožňuje přesnou výrobu v oblastech, jako je elektronika, polovodiče a mikroobrábění. Středně infračervený laditelný laser je jako jemně leštěný řezbářský nůž, který umožňuje průmyslu vyřezávat jemně vyřezávané produkty a ukázat brilantnost technologie.