Viritettävät lähi-infrapuna- ja keski-infrapunalaserit

Erilaiset spektrialueen määritelmät.

Yleisesti ottaen, kun ihmiset puhuvat infrapunavalonlähteistä, he viittaavat valoon, jonka tyhjiöaallonpituudet ovat yli ~700–800 nm (näkyvän aallonpituusalueen yläraja).

Tietyn aallonpituuden alarajaa ei ole selkeästi määritelty tässä kuvauksessa, koska ihmissilmän infrapunahavainto laskee hitaasti sen sijaan, että se katkeaa kalliolla.

Esimerkiksi valon vaste 700 nm:ssä ihmissilmään on jo hyvin alhainen, mutta jos valo on riittävän voimakasta, ihmissilmä voi nähdä jopa joidenkin laserdiodien lähettämän valon, jonka aallonpituus ylittää 750 nm, mikä tekee myös infrapunasta. laserit ovat turvallisuusriski. --Vaikka se ei olisikaan kovin kirkas ihmissilmälle, sen todellinen teho voi olla hyvin suuri.

Samoin, kuten infrapunavalonlähteen alaraja-alue (700-800 nm), myös infrapunavalonlähteen yläraja-alue on epävarma. Yleisesti ottaen se on noin 1 mm.

Tässä on joitain yleisiä infrapunakaistan määritelmiä:

Lähi-infrapunaspektrialue (kutsutaan myös IR-A:ksi), alue ~750-1400 nm.

Tällä aallonpituusalueella säteilevät laserit ovat alttiita melulle ja ihmissilmän turvallisuusongelmille, koska ihmissilmän tarkennustoiminto on yhteensopiva lähi-infrapuna- ja näkyvän valoalueen kanssa, joten lähi-infrapunakaistan valonlähde voidaan välittää ja tarkentaa herkkä verkkokalvo samalla tavalla, mutta lähi-infrapunanauhavalo Ei laukaise suojaavaa silmänräpäysrefleksiä. Tämän seurauksena ihmisen silmän verkkokalvo vaurioituu liiallisesta energiasta, joka johtuu herkkyydestä. Siksi käytettäessä tämän kaistan valonlähteitä silmäsuojaukseen on kiinnitettävä täysi huomiota.

Lyhyen aallonpituuden infrapuna (SWIR, IR-B) on 1,4-3 μm.

Tämä alue on suhteellisen turvallinen silmille, koska tämä valo imeytyy silmään ennen kuin se saavuttaa verkkokalvon. Esimerkiksi kuituoptisessa viestinnässä käytettävät erbium-seostetut kuituvahvistimet toimivat tällä alueella.

Keskiaallon infrapuna-alue (MWIR) on 3-8 μm.

Ilmakehä imeytyy voimakkaasti osissa aluetta; monilla ilmakehän kaasuilla, kuten hiilidioksidilla (CO2) ja vesihöyryllä (H2O), on absorptiolinjat tällä alueella. Myös siksi, että monilla kaasuilla on voimakas absorptio tällä vyöhykkeellä. Vahvat absorptioominaisuudet tekevät tästä spektrialueesta laajan käytön kaasun havaitsemiseen ilmakehässä.

Pitkän aallon infrapuna (LWIR) alue on 8-15 μm.

Seuraavana on kauko-infrapuna (FIR), joka vaihtelee välillä 15 μm - 1 mm (mutta on olemassa myös määritelmiä alkaen 50 μm, katso ISO 20473). Tätä spektrialuetta käytetään ensisijaisesti lämpökuvaukseen.

Tämän artikkelin tarkoituksena on keskustella laajakaistaisten viritettävän aallonpituuslaserien valinnasta lähi-infrapuna- ja keskipitkän infrapunavalonlähteillä, joihin voi sisältyä yllä mainittu lyhytaaltoinen infrapuna (SWIR, IR-B, 1,4-3 μm) ja osa valonlähteistä. keskiaallon infrapuna (MWIR, alue on 3-8 μm).

Tyypillinen sovellus

Tyypillinen valonlähteiden sovellus tällä kaistalla on laserabsorptiospektrien tunnistaminen hivenkaasuissa (esim. kaukokartoitus lääketieteellisessä diagnoosissa ja ympäristön seurannassa). Tässä analyysissä hyödynnetään monien keski-infrapunaspektrialueen molekyylien vahvoja ja tunnusomaisia ​​absorptiovyöhykkeitä, jotka toimivat "molekyylisormenjälkinä". Vaikka joitain näistä molekyyleistä voidaan tutkia myös pan-absorptiolinjojen kautta lähi-infrapuna-alueella, koska lähi-infrapuna-laserlähteet on helpompi valmistaa, vahvojen perusabsorptiolinjojen käyttäminen keski-infrapuna-alueella on etuja korkeammalla herkkyydellä. .

Keski-infrapunakuvauksessa käytetään myös tämän kaistan valonlähteitä. Ihmiset käyttävät yleensä hyväkseen sitä, että keski-infrapunavalo voi tunkeutua syvemmälle materiaaleihin ja sillä on vähemmän sirontaa. Esimerkiksi vastaavissa hyperspektrikuvantamissovelluksissa lähi-infrapuna-keski-infrapuna voi tarjota spektriinformaatiota jokaiselle pikselille (tai vokselille).

Keski-infrapunalaserlähteiden, kuten kuitulaserien, jatkuvan kehityksen ansiosta ei-metallisten lasermateriaalien käsittelysovellukset ovat yhä käytännöllisempiä. Tyypillisesti ihmiset hyödyntävät tiettyjen materiaalien, kuten polymeerikalvojen, voimakasta infrapunavalon absorptiota materiaalien selektiiviseen poistamiseen.

Tyypillinen tapaus on, että indium-tinaoksidia (ITO) läpinäkyvät johtavat kalvot, joita käytetään elektrodeissa elektronisissa ja optoelektronisissa laitteissa, on strukturoitava selektiivisellä laserablaatiolla. Toinen esimerkki on optisten kuitujen pinnoitteiden tarkka poistaminen. Tällä kaistalla tarvittavat tehotasot tällaisissa sovelluksissa ovat tyypillisesti paljon alhaisemmat kuin ne, jotka vaaditaan sovelluksissa, kuten laserleikkauksessa.

Armeija käyttää myös lähi-infrapuna- ja keski-infrapunavalonlähteitä suunnattuihin infrapunavastatoimiin lämpöä hakevia ohjuksia vastaan. Infrapunakameroiden sokeuttamiseen soveltuvan suuremman lähtötehon lisäksi tarvitaan myös laaja spektripeitto ilmakehän lähetyskaistalla (noin 3-4 μm ja 8-13 μm), jotta yksinkertaiset lovetut suodattimet eivät suojaa infrapunailmaisimia.

Edellä kuvattua ilmakehän lähetysikkunaa voidaan käyttää myös vapaan tilan optiseen viestintään suuntasäteiden kautta, ja kvanttikaskadilasereita käytetään monissa sovelluksissa tähän tarkoitukseen.

Joissakin tapauksissa tarvitaan keski-infrapuna-ultralyhyitä pulsseja. Esimerkiksi laserspektroskopiassa voitaisiin käyttää keski-infrapunataajuuskampoja tai hyödyntää ultralyhyiden pulssien korkeita huippuintensiteettejä laserointiin. Tämä voidaan luoda tilalukitulla laserilla.

Erityisesti lähi-infrapuna-keski-infrapunavalonlähteille joissakin sovelluksissa on erityisiä vaatimuksia pyyhkäisyaallonpituuksien tai aallonpituuden virittävyyden suhteen, ja myös lähi-infrapuna-keski-infrapuna-aallonpituuden viritettävät laserit ovat erittäin tärkeässä roolissa näissä sovelluksissa.

Esimerkiksi spektroskopiassa keski-infrapuna-viritettävät laserit ovat olennaisia ​​työkaluja, olipa kyseessä kaasuntunnistuksessa, ympäristön seurannassa tai kemiallisessa analyysissä. Tutkijat säätävät laserin aallonpituutta sijoittaakseen sen tarkasti infrapuna-alueen keskialueelle tiettyjen molekyylien absorptioviivojen havaitsemiseksi. Tällä tavalla he voivat saada yksityiskohtaista tietoa aineen koostumuksesta ja ominaisuuksista, kuten murtaa salaisuuksia täynnä olevan koodikirjan.

Lääketieteellisen kuvantamisen alalla myös keski-infrapunaviritettävät laserit ovat tärkeässä asemassa. Niitä käytetään laajalti ei-invasiivisissa diagnostisissa ja kuvantamistekniikoissa. Säätämällä laserin aallonpituuden tarkasti keski-infrapunavalo voi tunkeutua biologiseen kudokseen, jolloin saadaan korkearesoluutioisia kuvia. Tämä on tärkeää sairauksien ja poikkeavuuksien havaitsemiseksi ja diagnosoimiseksi, kuten maaginen valo, joka kurkistaa ihmiskehon sisäisiin salaisuuksiin.

Puolustus- ja turvallisuusala on myös erottamaton keski-infrapunaviritettävän laserin soveltamisesta. Näillä lasereilla on keskeinen rooli infrapunavastatoimissa, erityisesti lämpöä hakevia ohjuksia vastaan. Esimerkiksi Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) voi suojata lentokoneita ohjusten jäljittämiseltä ja hyökkäyksiltä. Säätämällä nopeasti laserin aallonpituutta nämä järjestelmät voivat häiritä saapuvien ohjusten ohjausjärjestelmää ja kääntää välittömästi taistelun vuoroveden, kuin taikamiekka vartioimassa taivasta.

Kaukokartoitustekniikka on tärkeä väline maapallon havainnointiin ja seurantaan, jossa infrapunaviritettävät laserit ovat avainasemassa. Alat, kuten ympäristön seuranta, ilmakehän tutkimus ja Maan havainnointi, ovat kaikki riippuvaisia ​​näiden lasereiden käytöstä. Keski-infrapuna-viritettävät laserit antavat tutkijoille mahdollisuuden mitata tiettyjä kaasujen absorptiolinjoja ilmakehässä ja tarjota arvokasta tietoa ilmastotutkimuksen, saasteiden seurannan ja sääennusteiden avuksi, kuten taikapeili, joka tarjoaa oivalluksia luonnon mysteereistä.

Teollisissa olosuhteissa keski-infrapuna-viritettävät laserit ovat laajalti käytössä materiaalin tarkkuuskäsittelyssä. Säätämällä laserit aallonpituuksille, joita tietyt materiaalit absorboivat voimakkaasti, ne mahdollistavat valikoivan ablaation, leikkauksen tai hitsauksen. Tämä mahdollistaa tarkkuusvalmistuksen sellaisilla aloilla kuin elektroniikka, puolijohteet ja mikrokoneistus. Keski-infrapunaviritettävä laser on kuin hienoksi kiillotettu kaiverrusveitsi, jonka avulla teollisuus voi leikata hienoksi veistettyjä tuotteita ja osoittaa tekniikan loistoa.