Miksi klassiset infrapuna-aallonpituudet ovat 808nm, 1064nm ja 1550nm?

1. Valonlähde (laser)

A:n peruskomponentitlaservoidaan jakaa kolmeen osaan: pumppulähde (joka tuottaa energiaa väestön inversion saavuttamiseksi työväliaineessa); työväliaine (jossa on sopiva energiatasorakenne, joka mahdollistaa populaation inversion pumpun vaikutuksesta, jolloin elektronit voivat siirtyä korkealta energiatasolta alemmalle tasolle ja vapauttaa energiaa fotonien muodossa); ja resonoiva onkalo.

Työväliaineen ominaisuudet määräävät säteilevän laservalon aallonpituuden.

Valtavirran laser, jonka aallonpituus on 808 nm, on puolijohdelaser. Puolijohteen kaistavälienergia määrää säteilevän laservalon aallonpituuden, mikä tekee 808 nm:stä suhteellisen yleisen toiminta-aallonpituuden. 808 nm:n puolijohdelaser on myös yksi varhaisimmista ja intensiivisimmin tutkituista. Sen aktiivinen alue koostuu joko alumiinia sisältävistä materiaaleista (kuten InAlGaAs) tai alumiinittomista materiaaleista (kuten GaAsP). Tämäntyyppinen laser tarjoaa etuja, kuten alhaiset kustannukset, korkean hyötysuhteen ja pitkän käyttöiän.

1064 nm on myös klassinen aallonpituus solid-state lasereille. Työskentelymateriaalina on neodyymi (Nd) seostettu YAG (yttrium-alumiinigranaatti Y3AI5012) kide. YAG-kiteen alumiini-ionit ovat vuorovaikutuksessa synergistisesti Nd-seostettujen kationien kanssa luoden sopivan tilarakenteen ja energiakaistarakenteen. Viritysenergian vaikutuksesta Nd-kationit virittyvät virittyneeseen tilaan, jolloin ne käyvät läpi radioaktiivisia siirtymiä ja synnyttävät laseria. Lisäksi Nd:YAG-kiteet tarjoavat erinomaisen vakauden ja suhteellisen pitkän käyttöiän.

1550 nm lasereita voidaan tuottaa myös puolijohdelasereilla. Yleisesti käytettyjä puolijohdemateriaaleja ovat InGaAsP, InGaAsN ja InGaAlAs.

2. Käyttö ja sovellukset

Infrapunakaistalla on lukuisia sovelluksia, kuten optinen viestintä, terveydenhuolto, biolääketieteellinen kuvantaminen, laserkäsittely ja paljon muuta.

Otetaan esimerkiksi optinen viestintä. Nykyinen kuituoptinen viestintä käyttää kvartsikuitua. Jotta valo voi kuljettaa tietoa pitkiä matkoja ilman häviötä, meidän on harkittava, mitkä valon aallonpituudet kulkeutuvat parhaiten kuidun läpi.

Lähi-infrapunakaistalla tavallisen kvartsikuidun häviö vähenee aallonpituuden kasvaessa, pois lukien epäpuhtauksien absorptiohuiput. Kolme aallonpituuden "ikkunaa" erittäin pienihäviöillä on 0,85 μm, 1,31 μm ja 1,55 μm. Valonlähdelaserin emissioaallonpituuden ja valodiodin valodiodin aallonpituusvasteen on oltava kohdakkain näiden kolmen aallonpituusikkunan kanssa. Erityisesti laboratorio-olosuhteissa häviö 1,55 μm:ssä on saavuttanut arvon 0,1419 dB/km ja lähestyy kvartsikuidun teoreettista häviörajaa.

Tällä aallonpituusalueella oleva valo voi tunkeutua suhteellisen hyvin biologiseen kudokseen, ja sitä voidaan soveltaa esimerkiksi fototermiseen hoitoon. Esimerkiksi Yue et ai. rakensi hepariini-folaattikohdistettuja nanopartikkeleita käyttämällä syaniinilähi-infrapunaväriä IR780, jonka suurin absorptioaallonpituus on noin 780 nm ja emissioaallonpituus 807 nm. Konsentraatiolla 10 mg/ml lasersäteilytys (808 nm laser, 0,6 W/cm2 tehotiheys) 2 minuutin ajan nosti lämpötilan 23 °C:sta 42 °C:seen. Annos 1,4 mg/kg annettiin hiirille, joilla oli folaattireseptoripositiivisia MCF-7-kasvaimia, ja kasvaimia säteilytettiin 808 nm:n laservalolla (0,8 W/cm2) 5 minuutin ajan. Merkittävää kasvaimen kutistumista havaittiin seuraavien päivien aikana.

Muita sovelluksia ovat infrapunalidar. Nykyisellä 905 nm:n aallonpituuskaistalla on heikko säähäiriökyky ja riittämätön tunkeutuminen sateeseen ja sumuun. 1,5 μm:n lasersäteily putoaa 1,5–1,8 μm:n ilmakehän ikkunaan, mikä johtaa alhaiseen vaimenemiseen ilmassa. Lisäksi 905 nm on silmille vaarallisen alueen sisällä, mikä vaatii tehonrajoituksen vaurioiden minimoimiseksi. 1550 nm on kuitenkin silmille turvallinen, joten se löytää sovelluksia myös lidarissa.

Yhteenvetona,laseritnäillä aallonpituuksilla ovat sekä kypsiä että kustannustehokkaita, ja niillä on erinomainen suorituskyky erilaisissa sovelluksissa. Nämä tekijät yhdessä ovat johtaneet laserien laajaan käyttöön näillä aallonpituuksilla.