Nær-infrarøde til mellem-infrarøde afstembare lasere

Forskellige definitioner af spektralområde.

Generelt, når folk taler om infrarøde lyskilder, henviser de til lys med vakuumbølgelængder større end ~700-800 nm (den øvre grænse for det synlige bølgelængdeområde).

Den nedre grænse for specifikke bølgelængder er ikke klart defineret i denne beskrivelse, fordi det menneskelige øjes opfattelse af infrarød langsomt falder i stedet for at afskæres ved en klippe.

For eksempel er reaktionen af ​​lys ved 700 nm på det menneskelige øje allerede meget lav, men hvis lyset er stærkt nok, kan det menneskelige øje endda se lyset udsendt af nogle laserdioder med bølgelængder over 750 nm, hvilket også gør infrarødt lasere udgør en sikkerhedsrisiko. --Selv om den ikke er særlig lys for det menneskelige øje, kan dens faktiske effekt være meget høj.

Ligesom det nedre grænseområde for den infrarøde lyskilde (700~800 nm), er det øvre grænsedefinitionsområde for den infrarøde lyskilde også usikkert. Generelt er det omkring 1 mm.

Her er nogle almindelige definitioner af det infrarøde bånd:

Nær-infrarødt spektralområde (også kaldet IR-A), område ~750-1400 nm.

Lasere, der udsendes i dette bølgelængdeområde, er tilbøjelige til støj og sikkerhedsproblemer for menneskelige øjne, fordi fokusfunktionen for det menneskelige øje er kompatibel med de nær-infrarøde og synlige lysområder, så den nær-infrarøde båndlyskilde kan transmitteres og fokuseres til følsom nethinde på samme måde, men det nær-infrarøde båndlys Udløser ikke den beskyttende blinkrefleks. Som et resultat bliver det menneskelige øjes nethinde beskadiget af overdreven energi på grund af ufølsomhed. Ved brug af lyskilder i dette bånd skal der derfor lægges fuld opmærksomhed på øjenbeskyttelse.

Kort bølgelængde infrarød (SWIR, IR-B) spænder fra 1,4-3 μm.

Dette område er relativt sikkert for øjnene, fordi dette lys absorberes af øjet, før det når nethinden. For eksempel opererer erbium-doterede fiberforstærkere, der anvendes i fiberoptisk kommunikation, i denne region.

Mellembølge infrarød (MWIR) rækkevidde er 3-8 μm.

Atmosfæren viser kraftig absorption i dele af regionen; mange atmosfæriske gasser vil have absorptionslinjer i dette bånd, såsom kuldioxid (CO2) og vanddamp (H2O). Også fordi mange gasser udviser stærk absorption i dette bånd. Stærke absorptionsegenskaber gør dette spektrale område meget udbredt til gasdetektion i atmosfæren.

Langbølge infrarød (LWIR) rækkevidde er 8-15 μm.

Dernæst er fjerninfrarød (FIR), som spænder fra 15 μm-1 mm (men der er også definitioner, der starter fra 50 μm, se ISO 20473). Dette spektrale område bruges primært til termisk billeddannelse.

Denne artikel har til formål at diskutere udvælgelsen af ​​bredbånds-afstembare bølgelængdelasere med nær-infrarøde til mellem-infrarøde lyskilder, som kan omfatte ovennævnte kortbølgelængde-infrarøde (SWIR, IR-B, spænder fra 1,4-3 μm) og en del af mellembølge infrarød (MWIR, rækkevidde er 3-8 μm).

Typisk anvendelse

En typisk anvendelse af lyskilder i dette bånd er identifikation af laserabsorptionsspektre i sporgasser (f.eks. fjernmåling i medicinsk diagnose og miljøovervågning). Her udnytter analysen de stærke og karakteristiske absorptionsbånd af mange molekyler i det melleminfrarøde spektralområde, som fungerer som "molekylære fingeraftryk". Selvom man også kan studere nogle af disse molekyler gennem pan-absorptionslinjer i det nær-infrarøde område, da nær-infrarøde laserkilder er nemmere at forberede, er der fordele ved at bruge stærke fundamentale absorptionslinjer i det melleminfrarøde område med højere følsomhed .

Ved mellem-infrarød billeddannelse anvendes også lyskilder i dette bånd. Folk drager normalt fordel af det faktum, at melleminfrarødt lys kan trænge dybere ind i materialer og har mindre spredning. For eksempel i tilsvarende hyperspektrale billeddannelsesapplikationer kan nær-infrarød til mid-infrarød give spektral information for hver pixel (eller voxel).

På grund af den fortsatte udvikling af mid-infrarøde laserkilder, såsom fiberlasere, bliver ikke-metalliske lasermaterialebehandlingsapplikationer mere og mere praktiske. Typisk drager folk fordel af den stærke absorption af infrarødt lys af visse materialer, såsom polymerfilm, til selektivt at fjerne materialer.

Et typisk tilfælde er, at indiumtinoxid (ITO) transparente ledende film, der bruges til elektroder i elektroniske og optoelektroniske enheder, skal struktureres ved selektiv laserablation. Et andet eksempel er den præcise stripning af belægninger på optiske fibre. De effektniveauer, der kræves i dette bånd til sådanne applikationer, er typisk meget lavere end dem, der kræves til applikationer såsom laserskæring.

Nær-infrarøde til mellem-infrarøde lyskilder bruges også af militæret til retningsbestemte infrarøde modforanstaltninger mod varmesøgende missiler. Ud over en højere udgangseffekt, der er egnet til at blænde infrarøde kameraer, kræves der også bred spektral dækning inden for det atmosfæriske transmissionsbånd (omkring 3-4 μm og 8-13 μm) for at forhindre, at simple filtre med kærv beskytter infrarøde detektorer.

Det ovenfor beskrevne atmosfæriske transmissionsvindue kan også bruges til optisk kommunikation i frit rum via retningsstråler, og kvantekaskadelasere bruges i mange applikationer til dette formål.

I nogle tilfælde er mid-infrarøde ultrakorte impulser påkrævet. For eksempel kunne man bruge mellem-infrarøde frekvenskamme i laserspektroskopi eller udnytte de høje spidsintensiteter af ultrakorte pulser til lasering. Dette kan genereres med en tilstandslåst laser.

Især for nær-infrarøde til mellem-infrarøde lyskilder har nogle applikationer særlige krav til scanning af bølgelængder eller bølgelængdetunerbarhed, og nær-infrarøde til mellem-infrarøde bølgelængdejusterbare lasere spiller også en ekstrem vigtig rolle i disse applikationer.

Inden for spektroskopi er mid-infrarød afstembare lasere f.eks. vigtige værktøjer, hvad enten det er til gassensing, miljøovervågning eller kemisk analyse. Forskere justerer laserens bølgelængde for præcist at placere den i det mellem-infrarøde område for at detektere specifikke molekylære absorptionslinjer. På denne måde kan de få detaljerede oplysninger om stoffets sammensætning og egenskaber, som at knække en kodebog fuld af hemmeligheder.

Inden for medicinsk billeddannelse spiller mid-infrarød tunable lasere også en vigtig rolle. De er meget udbredt i ikke-invasive diagnostiske og billeddiagnostiske teknologier. Ved præcist at indstille laserens bølgelængde kan mellem-infrarødt lys trænge ind i biologisk væv, hvilket resulterer i billeder i høj opløsning. Dette er vigtigt for at opdage og diagnosticere sygdomme og abnormiteter, som et magisk lys, der kigger ind i den menneskelige krops indre hemmeligheder.

Området for forsvar og sikkerhed er også uadskilleligt fra anvendelsen af ​​mid-infrarøde afstembare lasere. Disse lasere spiller en nøglerolle i infrarøde modforanstaltninger, især mod varmesøgende missiler. For eksempel kan DIRCM (directional infrared Countermeasures System) beskytte fly mod at blive sporet og angrebet af missiler. Ved hurtigt at justere laserens bølgelængde kan disse systemer interferere med styresystemet for indkommende missiler og øjeblikkeligt vende slagets gang, som et magisk sværd, der vogter himlen.

Fjernmålingsteknologi er et vigtigt middel til at observere og overvåge jorden, hvor infrarøde afstembare lasere spiller en nøglerolle. Områder som miljøovervågning, atmosfærisk forskning og jordobservation er alle afhængige af brugen af ​​disse lasere. Mid-infrarød afstembare lasere gør det muligt for forskere at måle specifikke absorptionslinjer for gasser i atmosfæren, hvilket giver værdifulde data til at hjælpe klimaforskning, forureningsovervågning og vejrudsigt, som et magisk spejl, der giver indsigt i naturens mysterier.

I industrielle omgivelser er mid-infrarød afstembare lasere i vid udstrækning brugt til præcisionsmaterialebehandling. Ved at indstille lasere til bølgelængder, der er stærkt absorberet af visse materialer, muliggør de selektiv ablation, skæring eller svejsning. Dette muliggør præcisionsfremstilling inden for områder som elektronik, halvledere og mikrobearbejdning. Den mellem-infrarøde afstembare laser er som en fint poleret udskæringskniv, der giver industrien mulighed for at udskære fint udskårne produkter og vise teknologiens glans.