Miért 808 nm, 1064 nm és 1550 nm a klasszikus infravörös hullámhossz?

1. Fényforrás (lézer)

Az alapvető összetevők alézerhárom részre osztható: szivattyúforrás (amely energiát biztosít a populáció inverziójának eléréséhez a munkaközegben); munkaközeg (amely megfelelő energiaszintű szerkezettel rendelkezik, amely lehetővé teszi a populáció inverzióját a szivattyú hatására, lehetővé téve az elektronok átmenetét a magas energiaszintekről az alacsonyabb szintre, és energiát szabadítanak fel fotonok formájában); és egy rezonáns üreg.

A munkaközeg tulajdonságai határozzák meg a kibocsátott lézerfény hullámhosszát.

A 808 nm hullámhosszú mainstream lézer egy félvezető lézer. A félvezető sávszélesség-energiája határozza meg a kibocsátott lézerfény hullámhosszát, így a 808 nm viszonylag gyakori működési hullámhossz. A 808 nm-es típusú félvezető lézer szintén az egyik legkorábbi és legintenzívebben kutatott. Aktív régiója vagy alumínium tartalmú anyagokból (például InAlGaAs) vagy alumíniummentes anyagokból (például GaAsP) áll. Ez a lézertípus olyan előnyöket kínál, mint az alacsony költség, a nagy hatékonyság és a hosszú élettartam.

Az 1064 nm a szilárdtestlézerek klasszikus hullámhossza is. A munkaanyag egy neodímiummal (Nd) adalékolt YAG (itrium-alumínium gránát Y3AI5012) kristály. A YAG kristályban lévő alumíniumionok szinergikus kölcsönhatásba lépnek az Nd-vel adalékolt kationokkal, megfelelő térszerkezetet és energiasáv-struktúrát hozva létre. A gerjesztési energia hatására az Nd kationok gerjesztett állapotba gerjesztődnek, radioaktív átmeneteken mennek keresztül és lézerképzést generálnak. Ezenkívül az Nd:YAG kristályok kiváló stabilitást és viszonylag hosszú élettartamot kínálnak.

1550 nm-es lézerek félvezető lézerekkel is előállíthatók. Az általánosan használt félvezető anyagok közé tartozik az InGaAsP, InGaAsN és InGaAlAs.

2. Felhasználások és alkalmazások

Az infravörös sávnak számos alkalmazása van, például optikai kommunikációban, egészségügyben, orvosbiológiai képalkotásban, lézeres feldolgozásban stb.

Vegyük például az optikai kommunikációt. A jelenlegi üvegszálas kommunikáció kvarcszálat használ. Annak biztosítására, hogy a fény veszteség nélkül továbbítsa az információt nagy távolságokra, mérlegelnünk kell, hogy melyik hullámhosszú fényt a legjobban átereszteni a szálon.

A közeli infravörös sávban a közönséges kvarcszál vesztesége a hullámhossz növekedésével csökken, a szennyeződés-abszorpciós csúcsokat kizárva. Három nagyon alacsony veszteségű hullámhosszú "ablak" létezik 0,85 μm, 1,31 μm és 1,55 μm mellett. A fényforrás lézer emissziós hullámhosszának és a fotodetektor fotodióda hullámhossz-válaszának e három hullámhossz ablakhoz kell igazodnia. Pontosabban, laboratóriumi körülmények között az 1,55 μm-es veszteség elérte a 0,1419 dB/km-t, ami megközelíti a kvarcszál elméleti veszteségi határát.

Ebben a hullámhossz-tartományban a fény viszonylag jól áthatol a biológiai szöveteken, és olyan területeken alkalmazható, mint például a fototermikus terápia. Például Yue és mtsai. heparin-folát célzott nanorészecskéket építettek az IR780 közeli infravörös cianin festékkel, amelynek maximális abszorpciós hullámhossza körülbelül 780 nm és emissziós hullámhossza 807 nm. 10 mg/ml koncentrációnál a lézeres besugárzás (808 nm lézer, 0,6 W/cm² teljesítménysűrűség) 2 percig 23°C-ról 42°C-ra emelte a hőmérsékletet. Folsavreceptor-pozitív MCF-7 daganatot hordozó egereknek 1,4 mg/kg dózist adtunk be, és a daganatokat 808 nm-es lézerfénnyel (0,8 W/cm²) 5 percig besugároztuk. A következő napokban jelentős tumorzsugorodást figyeltek meg.

Egyéb alkalmazások közé tartozik az infravörös lidar. A jelenlegi 905 nm-es hullámhossz-sáv gyenge időjárási interferencia-képességgel rendelkezik, és nem képes megfelelően behatolni az esőbe és a ködbe. Az 1,5 μm-es lézersugárzás az 1,5–1,8 μm-es légköri ablakon belülre esik, ami alacsony csillapítást eredményez a levegőben. Ezenkívül a 905 nm a szemre veszélyes sávba esik, ezért a károsodás minimálisra csökkentése érdekében teljesítménykorlátozásra van szükség. Az 1550 nm azonban szembiztos, így a lidarban is talál alkalmazást.

Összefoglalva,lézerekezeken a hullámhosszokon egyaránt érettek és költséghatékonyak, és kiváló teljesítményt mutatnak különféle alkalmazásokban. Ezek a tényezők együttesen vezettek a lézerek széles körű elterjedéséhez ezeken a hullámhosszokon.