Közel-infravörös és közép-infravörös hangolható lézerek

Különböző spektrális tartomány definíciók.

Általánosságban elmondható, hogy amikor az emberek infravörös fényforrásokról beszélnek, akkor ~700–800 nm-nél (a látható hullámhossz-tartomány felső határa) nagyobb vákuumhullámú fényre gondolnak.

A fajlagos hullámhossz alsó határa nincs egyértelműen meghatározva ebben a leírásban, mivel az emberi szem infravörös érzékelése lassan csökken, nem pedig levág egy sziklánál.

Például a 700 nm-es fény válasza az emberi szemre már nagyon alacsony, de ha a fény elég erős, akkor az emberi szem még néhány 750 nm-et meghaladó hullámhosszú lézerdióda által kibocsátott fényt is lát, ami infravöröst is tesz. a lézerek biztonsági kockázatot jelentenek. -- Még ha emberi szemnek nem is túl fényes, tényleges ereje nagyon nagy lehet.

Hasonlóan, az infravörös fényforrás alsó határtartományához (700-800 nm) hasonlóan az infravörös fényforrás felső határdefiníciós tartománya is bizonytalan. Általánosságban elmondható, hogy körülbelül 1 mm.

Íme néhány általános definíció az infravörös sávra:

Közeli infravörös spektrális régió (más néven IR-A), tartomány ~750-1400 nm.

Az ebben a hullámhossz-tartományban kibocsátott lézerek ki vannak téve a zajnak és az emberi szem biztonsági problémáinak, mivel az emberi szem fókuszálási funkciója kompatibilis a közeli infravörös és látható fénytartományokkal, így a közeli infravörös sávos fényforrás továbbítható és fókuszálható a érzékeny retina ugyanúgy, de a közeli infravörös sáv fénye Nem váltja ki a védő pislogási reflexet. Ennek eredményeként az emberi szem retináját az érzéketlenség miatti túlzott energia károsítja. Ezért az ebben a sávban lévő fényforrások használatakor teljes figyelmet kell fordítani a szem védelmére.

A rövid hullámhosszú infravörös (SWIR, IR-B) tartomány 1,4-3 μm.

Ez a terület viszonylag biztonságos a szem számára, mivel ezt a fényt a szem elnyeli, mielőtt elérné a retinát. Például az optikai kommunikációban használt erbiummal adalékolt szálerősítők működnek ebben a régióban.

A középhullámú infravörös (MWIR) tartomány 3-8 μm.

A légkör a régió egyes részein erős felszívódást mutat; sok légköri gáznak ebben a sávban lesz abszorpciós vonala, mint például a szén-dioxid (CO2) és a vízgőz (H2O). Azért is, mert sok gáz erős abszorpciót mutat ebben a sávban. Az erős abszorpciós jellemzők miatt ezt a spektrális tartományt széles körben használják gázérzékelésre a légkörben.

A hosszú hullámú infravörös (LWIR) tartomány 8-15 μm.

Következik a távoli infravörös (FIR), amely 15 μm-től 1 mm-ig terjed (de vannak 50 μm-től kezdődő definíciók is, lásd ISO 20473). Ezt a spektrális régiót elsősorban hőképalkotáshoz használják.

Ennek a cikknek az a célja, hogy megvitassa a közel-infravörös és a közép-infravörös fényforrásokkal rendelkező, szélessávú hangolható hullámhosszú lézerek kiválasztását, amelyek magukban foglalhatják a fenti rövid hullámhosszú infravöröst (SWIR, IR-B, 1,4-3 μm-től) és a fényforrás egy részét. középhullámú infravörös (MWIR, tartomány 3-8 μm).

Tipikus alkalmazás

A fényforrások tipikus alkalmazása ebben a sávban a lézer abszorpciós spektrumainak azonosítása nyomgázokban (pl. távérzékelés az orvosi diagnosztikában és a környezeti monitorozásban). Itt az elemzés a közép-infravörös spektrális régióban számos molekula erős és jellegzetes abszorpciós sávját használja ki, amelyek "molekuláris ujjlenyomatként" szolgálnak. Bár ezeknek a molekuláknak egy része a közeli infravörös tartományban pán-abszorpciós vonalakon keresztül is tanulmányozható, mivel a közeli infravörös lézerforrások könnyebben elkészíthetők, előnyei vannak az erős alapabszorpciós vonalak használatának a középső infravörös régióban, nagyobb érzékenységgel. .

A középső infravörös képalkotásnál szintén ebben a sávban használnak fényforrásokat. Az emberek általában kihasználják azt a tényt, hogy a középső infravörös fény mélyebben behatol az anyagokba, és kisebb a szórás. Például a megfelelő hiperspektrális képalkotó alkalmazásokban a közeli infravöröstől a közép-infravörösig minden képponthoz (vagy voxelhez) spektrális információt szolgáltathat.

A közép-infravörös lézerforrások, például a szálas lézerek folyamatos fejlesztésének köszönhetően a nem fémes lézeres anyagok feldolgozásának alkalmazásai egyre praktikusabbakká válnak. Az emberek általában kihasználják az infravörös fény erős elnyelését bizonyos anyagok, például polimer fóliák által az anyagok szelektív eltávolítására.

Tipikus eset, hogy az elektronikus és optoelektronikai eszközök elektródáihoz használt indium-ón-oxid (ITO) átlátszó vezetőképes fóliákat szelektív lézeres ablációval kell strukturálni. Egy másik példa az optikai szálak bevonatainak pontos eltávolítása. Az ezen a sávon az ilyen alkalmazásokhoz szükséges teljesítményszintek általában sokkal alacsonyabbak, mint az olyan alkalmazásokhoz, mint például a lézervágás.

A közel-infravörös és a közép-infravörös fényforrásokat a katonaság is használja irányított infravörös ellenintézkedésekre a hőkereső rakéták ellen. Az infravörös kamerák vakítására alkalmas nagyobb kimeneti teljesítmény mellett a légköri átviteli sávon belüli széles spektrális lefedettség (3-4 μm és 8-13 μm körül) is szükséges, hogy az egyszerű hornyolt szűrők ne védjék az infravörös detektorokat.

A fent leírt atmoszférikus átviteli ablak szabad térbeli optikai kommunikációra is használható irányított nyalábokon keresztül, és erre a célra számos alkalmazásban alkalmazzák a kvantumkaszkád lézereket.

Egyes esetekben közép-infravörös ultrarövid impulzusokra van szükség. Például használhatunk közép-infravörös frekvenciájú fésűket a lézerspektroszkópiában, vagy kihasználhatjuk az ultrarövid impulzusok magas csúcsintenzitását a lézerezéshez. Ez egy üzemmód zárt lézerrel generálható.

Különösen a közeli infravörös és a középső infravörös fényforrások esetében bizonyos alkalmazások speciális követelményeket támasztanak a hullámhossz pásztázása vagy a hullámhossz hangolhatósága tekintetében, és a közeli infravöröstől a közepes infravörös hullámhosszig hangolható lézerek is rendkívül fontos szerepet játszanak ezekben az alkalmazásokban.

Például a spektroszkópiában a közép-infravörös hangolható lézerek nélkülözhetetlen eszközök, legyen szó gázérzékelésről, környezeti megfigyelésről vagy kémiai elemzésről. A tudósok úgy állítják be a lézer hullámhosszát, hogy pontosan a középső infravörös tartományba pozícionálják, hogy felismerjék a specifikus molekuláris abszorpciós vonalakat. Ily módon részletes információkat szerezhetnek az anyag összetételéről és tulajdonságairól, például feltörhetnek egy titkokkal teli kódkönyvet.

Az orvosi képalkotás területén a közép-infravörös hangolható lézerek is fontos szerepet töltenek be. Széles körben használják a non-invazív diagnosztikai és képalkotó technológiákban. A lézer hullámhosszának precíz hangolásával a középső infravörös fény behatol a biológiai szövetekbe, ami nagy felbontású képeket eredményez. Ez fontos a betegségek és rendellenességek felismeréséhez és diagnosztizálásához, mint egy varázslatos fény, amely az emberi test belső titkaiba pillant.

A védelem és biztonság területe szintén elválaszthatatlan a közép-infravörös hangolható lézerek alkalmazásától. Ezek a lézerek kulcsszerepet játszanak az infravörös ellenintézkedésekben, különösen a hőkereső rakéták ellen. Például a Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) képes megvédeni a repülőgépeket a rakéták nyomon követésétől és támadásától. A lézer hullámhosszának gyors beállításával ezek a rendszerek megzavarhatják a beérkező rakéták irányítórendszerét, és azonnal megfordíthatják a csata dagályát, akár egy varázskard, amely az eget őrzi.

A távérzékelési technológia a Föld megfigyelésének és megfigyelésének fontos eszköze, amelyben az infravörös hangolható lézerek kulcsszerepet játszanak. Az olyan területek, mint a környezeti megfigyelés, a légkörkutatás és a Föld-megfigyelés, mind e lézerek használatán alapulnak. A közép-infravörös hangolható lézerek segítségével a tudósok megmérhetik a gázok meghatározott abszorpciós vonalait a légkörben, értékes adatokat szolgáltatva ezzel az éghajlatkutatáshoz, a szennyezés megfigyeléséhez és az időjárás előrejelzéséhez, mint egy varázstükör, amely betekintést nyújt a természet titkaiba.

Ipari környezetben a közép-infravörös hangolható lézereket széles körben használják precíziós anyagfeldolgozásra. Azáltal, hogy a lézereket bizonyos anyagok által erősen elnyelt hullámhosszokra hangolják, lehetővé teszik a szelektív ablációt, vágást vagy hegesztést. Ez lehetővé teszi a precíziós gyártást olyan területeken, mint az elektronika, a félvezetők és a mikromegmunkálás. A közép-infravörös hangolható lézer olyan, mint egy finomra csiszolt faragó kés, amely lehetővé teszi az ipar számára, hogy finoman faragott termékeket faragjon ki, és megmutassa a technológia ragyogását.