Laser reglabil în infraroșu apropiat până la infraroșu mediu

Diferite definiții ale intervalului spectral.

În general, atunci când oamenii vorbesc despre surse de lumină infraroșie, se referă la lumina cu lungimi de undă în vid mai mari de ~700–800 nm (limita superioară a intervalului de lungimi de undă vizibile).

Limita inferioară a lungimii de undă specifică nu este definită clar în această descriere, deoarece percepția ochiului uman asupra infraroșului scade lent, mai degrabă decât se întrerupe la o stâncă.

De exemplu, răspunsul luminii la 700 nm la ochiul uman este deja foarte scăzut, dar dacă lumina este suficient de puternică, ochiul uman poate vedea chiar lumina emisă de unele diode laser cu lungimi de undă care depășesc 750 nm, ceea ce face și infraroșu. laserele reprezintă un risc pentru siguranță. --Chiar dacă nu este foarte luminos pentru ochiul uman, puterea sa reală poate fi foarte mare.

În mod similar, ca și domeniul limită inferioară a sursei de lumină în infraroșu (700 ~ 800 nm), domeniul de definire a limitei superioare a sursei de lumină infraroșie este, de asemenea, incert. În general, este de aproximativ 1 mm.

Iată câteva definiții comune ale benzii infraroșii:

Regiunea spectrală în infraroșu apropiat (numită și IR-A), interval de ~750-1400 nm.

Laserele emise în această regiune de lungime de undă sunt predispuse la zgomot și probleme de siguranță a ochiului uman, deoarece funcția de focalizare a ochiului uman este compatibilă cu intervalele de lumină în infraroșu apropiat și vizibil, astfel încât sursa de lumină a benzii de infraroșu apropiat poate fi transmisă și focalizată către retina sensibilă în același mod, dar lumina de bandă în infraroșu apropiat Nu declanșează reflexul de clipire de protecție. Drept urmare, retina ochiului uman este deteriorată de energie excesivă din cauza insensibilității. Prin urmare, atunci când utilizați surse de lumină în această bandă, trebuie acordată o atenție deplină protecției ochilor.

Infraroșu cu lungime de undă scurtă (SWIR, IR-B) interval de 1,4-3 μm.

Această zonă este relativ sigură pentru ochi, deoarece această lumină este absorbită de ochi înainte de a ajunge în retină. De exemplu, amplificatoarele cu fibră dopată cu erbiu utilizate în comunicațiile cu fibră optică funcționează în această regiune.

Intervalul de infraroșu cu undă medie (MWIR) este de 3-8 μm.

Atmosfera prezintă o absorbție puternică în anumite părți ale regiunii; multe gaze atmosferice vor avea linii de absorbție în această bandă, cum ar fi dioxidul de carbon (CO2) și vaporii de apă (H2O). De asemenea, deoarece multe gaze prezintă o absorbție puternică în această bandă Caracteristicile puternice de absorbție fac ca această regiune spectrală să fie utilizată pe scară largă pentru detectarea gazelor în atmosferă.

Intervalul de infraroșu cu undă lungă (LWIR) este de 8-15 μm.

Urmează infraroșu îndepărtat (FIR), care variază de la 15 μm-1 mm (dar există și definiții care încep de la 50 μm, vezi ISO 20473). Această regiune spectrală este utilizată în principal pentru imagini termice.

Acest articol își propune să discute selecția laserelor cu lungime de undă reglabilă în bandă largă cu surse de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mijlociu, care pot include infraroșu cu lungime de undă scurtă de mai sus (SWIR, IR-B, variind de la 1,4-3 μm) și o parte din infraroșu cu undă medie (MWIR, intervalul este de 3-8 μm).

Aplicație tipică

O aplicație tipică a surselor de lumină în această bandă este identificarea spectrelor de absorbție cu laser în urme de gaze (de exemplu, teledetecția în diagnosticul medical și monitorizarea mediului). Aici, analiza profită de benzile de absorbție puternice și caracteristice ale multor molecule din regiunea spectrală în infraroșu mijlociu, care servesc drept „amprente moleculare”. Deși se pot studia unele dintre aceste molecule și prin linii de pan-absorbție în regiunea infraroșu apropiat, deoarece sursele laser în infraroșu apropiat sunt mai ușor de pregătit, există avantaje în utilizarea liniilor puternice de absorbție fundamentală în regiunea infraroșu mijlociu cu sensibilitate mai mare. .

În imagistica cu infraroșu mijlociu, sunt folosite și surse de lumină din această bandă. Oamenii profită de obicei de faptul că lumina infraroșu mijlociu poate pătrunde mai adânc în materiale și are mai puțină împrăștiere. De exemplu, în aplicațiile de imagistică hiperspectrală corespunzătoare, infraroșu apropiat până la infraroșu mediu poate furniza informații spectrale pentru fiecare pixel (sau voxel).

Datorită dezvoltării continue a surselor de laser cu infraroșu mediu, cum ar fi laserele cu fibră, aplicațiile de prelucrare a materialelor laser nemetalice devin din ce în ce mai practice. De obicei, oamenii profită de absorbția puternică a luminii infraroșii de către anumite materiale, cum ar fi filmele polimerice, pentru a îndepărta selectiv materialele.

Un caz tipic este acela că filmele conductoare transparente din oxid de indiu staniu (ITO) utilizate pentru electrozii din dispozitivele electronice și optoelectronice trebuie să fie structurate prin ablație selectivă cu laser. Un alt exemplu este striparea precisă a acoperirilor pe fibre optice. Nivelurile de putere necesare în această bandă pentru astfel de aplicații sunt de obicei mult mai mici decât cele necesare pentru aplicații precum tăierea cu laser.

Sursele de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu sunt, de asemenea, folosite de armate pentru contramăsuri direcționale în infraroșu împotriva rachetelor care caută căldură. Pe lângă puterea de ieșire mai mare, potrivită pentru camerele cu infraroșu orbitor, este necesară și o acoperire spectrală largă în banda de transmisie atmosferică (aproximativ 3-4 μm și 8-13 μm) pentru a preveni filtrele simple cu crestături să protejeze detectoarele cu infraroșu.

Fereastra de transmisie atmosferică descrisă mai sus poate fi folosită și pentru comunicații optice în spațiu liber prin fascicule direcționale, iar laserele cuantice în cascadă sunt utilizate în multe aplicații în acest scop.

În unele cazuri, sunt necesare impulsuri ultrascurte în infraroșu mediu. De exemplu, s-ar putea folosi piepteni de frecvență în infraroșu mediu în spectroscopie cu laser sau s-ar putea exploata intensitățile de vârf ale impulsurilor ultrascurte pentru laser. Aceasta poate fi generată cu un laser blocat în mod.

În special, pentru sursele de lumină din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu, unele aplicații au cerințe speciale pentru scanarea lungimilor de undă sau reglabilitatea lungimii de undă, iar laserele reglabile cu lungime de undă din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu joacă, de asemenea, un rol extrem de important în aceste aplicații.

De exemplu, în spectroscopie, laserele reglabile în infraroșu mediu sunt instrumente esențiale, fie că sunt detectate gaze, monitorizarea mediului sau analiza chimică. Oamenii de știință ajustează lungimea de undă a laserului pentru a-l poziționa cu precizie în intervalul infraroșu mediu pentru a detecta linii specifice de absorbție moleculară. În acest fel, ei pot obține informații detaliate despre compoziția și proprietățile materiei, cum ar fi spargerea unei cărți de coduri pline de secrete.

În domeniul imagisticii medicale, laserele reglabile în infraroșu mediu joacă, de asemenea, un rol important. Sunt utilizate pe scară largă în tehnologiile de diagnostic și imagistică non-invazive. Prin reglarea precisă a lungimii de undă a laserului, lumina infraroșu mijlociu poate pătrunde în țesutul biologic, rezultând imagini de înaltă rezoluție. Acest lucru este important pentru detectarea și diagnosticarea bolilor și anomaliilor, precum o lumină magică care se uită la secretele interioare ale corpului uman.

Domeniul apărării și securității este, de asemenea, inseparabil de aplicarea laserelor reglabile în infraroșu mediu. Aceste lasere joacă un rol cheie în contramăsurile în infraroșu, în special împotriva rachetelor care caută căldură. De exemplu, sistemul de contramăsuri direcționale în infraroșu (DIRCM) poate proteja aeronavele împotriva urmăririi și atacarii de rachete. Prin ajustarea rapidă a lungimii de undă a laserului, aceste sisteme pot interfera cu sistemul de ghidare al rachetelor primite și pot schimba instantaneu valul bătăliei, ca o sabie magică care păzește cerul.

Tehnologia de teledetecție este un mijloc important de observare și monitorizare a pământului, în care laserele reglabile în infraroșu joacă un rol cheie. Domenii precum monitorizarea mediului, cercetarea atmosferică și observarea Pământului se bazează pe utilizarea acestor lasere. Laserele reglabile în infraroșu mediu le permit oamenilor de știință să măsoare linii specifice de absorbție a gazelor din atmosferă, oferind date valoroase pentru a ajuta cercetarea climatică, monitorizarea poluării și prognoza meteo, ca o oglindă magică care oferă perspective asupra misterelor naturii.

În medii industriale, laserele reglabile în infraroșu mediu sunt utilizate pe scară largă pentru prelucrarea de precizie a materialelor. Prin reglarea laserelor la lungimi de undă care sunt puternic absorbite de anumite materiale, acestea permit ablația selectivă, tăierea sau sudarea. Acest lucru permite fabricarea de precizie în domenii precum electronica, semiconductorii și microprelucrarea. Laserul reglabil în infraroșu mijlociu este ca un cuțit de sculptat fin lustruit, permițând industriei să sculpteze produse fin sculptate și să arate strălucirea tehnologiei.