De ce lungimile de undă clasice în infraroșu sunt de 808 nm, 1064 nm și 1550 nm?

1. Sursa de lumina (laser)

Componentele de bază ale alaserpoate fi împărțit în trei părți: o sursă de pompă (care furnizează energie pentru realizarea inversării populației în mediul de lucru); un mediu de lucru (care are o structură adecvată a nivelului de energie care permite inversarea populației sub acțiunea pompei, permițând electronilor să treacă de la niveluri ridicate de energie la nivelul inferior și să elibereze energie sub formă de fotoni); și o cavitate rezonantă.

Proprietățile mediului de lucru determină lungimea de undă a luminii laser emise.

Laserul principal cu o lungime de undă de 808 nm este un laser semiconductor. Energia band gap a semiconductorului determină lungimea de undă a luminii laser emise, făcând 808nm o lungime de undă de operare relativ comună. Tipul de laser semiconductor de 808 nm este, de asemenea, unul dintre cele mai vechi și mai intens cercetate. Regiunea sa activă constă fie din materiale care conțin aluminiu (cum ar fi InAlGaAs), fie din materiale fără aluminiu (cum ar fi GaAsP). Acest tip de laser oferă avantaje precum cost redus, eficiență ridicată și viață lungă.

1064nm este, de asemenea, o lungime de undă clasică pentru laserele cu stare solidă. Materialul de lucru este un cristal YAG (ytriu aluminiu granat Y3AI5012) dopat cu neodim (Nd). Ionii de aluminiu din cristalul YAG interacționează sinergic cu cationii dopați cu Nd, creând o structură spațială adecvată și o structură de bandă de energie. Sub acțiunea energiei de excitație, cationii Nd sunt excitați într-o stare excitată, trecând prin tranziții radioactive și generând laser. În plus, cristalele Nd:YAG oferă o stabilitate excelentă și o durată de viață relativ lungă.

Laserele de 1550nm pot fi generate și folosind lasere semiconductoare. Materialele semiconductoare utilizate în mod obișnuit includ InGaAsP, InGaAsN și InGaAlAs.

2. Utilizări și aplicații

Banda infraroșu are numeroase aplicații, cum ar fi comunicații optice, asistență medicală, imagistică biomedicală, procesare cu laser și multe altele.

Luați ca exemplu comunicațiile optice. Comunicațiile actuale prin fibră optică utilizează fibra de cuarț. Pentru a ne asigura că lumina poate transporta informații pe distanțe lungi fără pierderi, trebuie să luăm în considerare ce lungimi de undă de lumină sunt cel mai bine transmise prin fibră.

În banda de infraroșu apropiat, pierderea fibrei obișnuite de cuarț scade odată cu creșterea lungimii de undă, excluzând vârfurile de absorbție a impurităților. Există trei „ferestre” cu lungimi de undă cu pierderi foarte mici la 0,85 μm, 1,31 μm și 1,55 μm. Lungimea de undă de emisie a laserului sursei de lumină și răspunsul la lungimea de undă a fotodiodei fotodetectorului trebuie să se alinieze cu aceste trei ferestre de lungime de undă. Mai exact, în condiții de laborator, pierderea la 1,55 μm a ajuns la 0,1419 dB/km, apropiindu-se de limita teoretică de pierdere pentru fibra de cuarț.

Lumina din acest interval de lungimi de undă poate pătrunde relativ bine în țesutul biologic și are aplicații în domenii precum terapia fototermală. De exemplu, Yue et al. a construit nanoparticule țintite de heparină-folat utilizând colorantul cu cianuri în infraroșu apropiat IR780, care are o lungime de undă de absorbție maximă de aproximativ 780 nm și o lungime de undă de emisie de 807 nm. La o concentrație de 10 mg/mL, iradierea cu laser (laser de 808 nm, densitate de putere 0,6 W/cm²) timp de 2 minute a crescut temperatura de la 23°C la 42°C. O doză de 1,4 mg/kg a fost administrată șoarecilor purtători de tumori MCF-7 pozitive pentru receptor de folat, iar tumorile au fost iradiate cu lumină laser de 808 nm (0,8 W/cm²) timp de 5 minute. S-a observat o contracție semnificativă a tumorii în următoarele zile.

Alte aplicații includ lidar în infraroșu. Actuala bandă de lungime de undă de 905 nm are capacități slabe de interferență cu vremea și pătrunderea insuficientă în ploaie și ceață. Radiația laser la 1,5 μm intră în fereastra atmosferică de 1,5–1,8 μm, rezultând o atenuare scăzută a aerului. În plus, 905 nm se încadrează în banda periculoasă pentru ochi, necesitând limitarea puterii pentru a minimiza daunele. Cu toate acestea, 1550 nm este sigur pentru ochi, așa că își găsește aplicații și în lidar.

În concluzie,laserela aceste lungimi de undă sunt atât mature, cât și rentabile și prezintă performanțe excelente în diverse aplicații. Acești factori combinați au dus la utilizarea pe scară largă a laserelor în aceste lungimi de undă.