Nära-infraröda till medelinfraröda avstämbara lasrar

Olika definitioner av spektralområde.

Generellt sett, när människor talar om infraröda ljuskällor, hänvisar de till ljus med vakuumvåglängder större än ~700–800 nm (den övre gränsen för det synliga våglängdsområdet).

Den nedre gränsen för specifika våglängder är inte tydligt definierad i denna beskrivning eftersom det mänskliga ögats uppfattning av infrarött långsamt minskar snarare än avbryts vid en klippa.

Till exempel är reaktionen av ljus vid 700 nm på det mänskliga ögat redan mycket låg, men om ljuset är tillräckligt starkt kan det mänskliga ögat till och med se ljuset som sänds ut av vissa laserdioder med våglängder som överstiger 750 nm, vilket också gör infrarött laser en säkerhetsrisk. --Även om det inte är särskilt ljust för det mänskliga ögat, kan dess faktiska kraft vara mycket hög.

På liknande sätt, liksom det nedre gränsområdet för den infraröda ljuskällan (700~800 nm), är det övre gränsintervallet för den infraröda ljuskällan också osäkert. Generellt sett är det cirka 1 mm.

Här är några vanliga definitioner av det infraröda bandet:

Nära-infraröd spektralregion (även kallad IR-A), intervall ~750-1400 nm.

Lasrar som sänds ut i denna våglängdsregion är utsatta för buller och säkerhetsproblem för mänskliga ögon, eftersom fokuseringsfunktionen för det mänskliga ögat är kompatibel med de nära-infraröda och synliga ljusområdena, så att den nära-infraröda bandljuskällan kan överföras och fokuseras till känslig näthinna på samma sätt, men det nära-infraröda bandljuset Utlöser inte den skyddande blinkreflexen. Som ett resultat skadas det mänskliga ögats näthinna av överdriven energi på grund av okänslighet. Därför, när du använder ljuskällor i detta band, måste full uppmärksamhet ägnas åt ögonskydd.

Infraröd kortvåglängd (SWIR, IR-B) sträcker sig från 1,4-3 μm.

Detta område är relativt säkert för ögonen eftersom detta ljus absorberas av ögat innan det når näthinnan. Till exempel verkar erbiumdopade fiberförstärkare som används i fiberoptisk kommunikation i denna region.

Mellanvågsinfraröd (MWIR) intervall är 3-8 μm.

Atmosfären visar stark absorption i delar av regionen; många atmosfäriska gaser kommer att ha absorptionslinjer i detta band, såsom koldioxid (CO2) och vattenånga (H2O). Också för att många gaser uppvisar stark absorption i detta band. Starka absorptionsegenskaper gör att denna spektrala region används i stor utsträckning för gasdetektering i atmosfären.

Långvågsinfraröd (LWIR) räckvidd är 8-15 μm.

Nästa är fjärrinfraröd (FIR), som sträcker sig från 15 μm-1 mm (men det finns också definitioner som börjar från 50 μm, se ISO 20473). Detta spektrala område används främst för värmeavbildning.

Den här artikeln syftar till att diskutera valet av bredbandslasrar avstämbar våglängd med nära-infraröda till medelinfraröda ljuskällor, som kan inkludera ovanstående kortvåglängds-infraröda (SWIR, IR-B, från 1,4-3 μm) och en del av mellanvågsinfraröd (MWIR, intervallet är 3-8 μm).

Typisk applikation

En typisk tillämpning av ljuskällor i detta band är identifieringen av laserabsorptionsspektra i spårgaser (t.ex. fjärranalys vid medicinsk diagnos och miljöövervakning). Här utnyttjar analysen de starka och karakteristiska absorptionsbanden för många molekyler i det mellaninfraröda spektralområdet, som fungerar som "molekylära fingeravtryck". Även om man också kan studera några av dessa molekyler genom pan-absorptionslinjer i det nära-infraröda området, eftersom nära-infraröda laserkällor är lättare att förbereda, finns det fördelar med att använda starka fundamentala absorptionslinjer i det mellaninfraröda området med högre känslighet .

Vid mellaninfraröd avbildning används även ljuskällor i detta band. Människor brukar utnyttja det faktum att mellaninfrarött ljus kan tränga djupare in i material och har mindre spridning. Till exempel, i motsvarande hyperspektrala avbildningstillämpningar, kan nära-infraröd till mellan-infraröd tillhandahålla spektral information för varje pixel (eller voxel).

På grund av den fortsatta utvecklingen av medelinfraröda laserkällor, såsom fiberlasrar, blir tillämpningar för behandling av icke-metalliska lasermaterial mer och mer praktiska. Vanligtvis utnyttjar människor den starka absorptionen av infrarött ljus av vissa material, såsom polymerfilmer, för att selektivt ta bort material.

Ett typiskt fall är att transparenta ledande filmer av indiumtennoxid (ITO) som används för elektroder i elektroniska och optoelektroniska enheter måste struktureras genom selektiv laserablation. Ett annat exempel är den exakta strippningen av beläggningar på optiska fibrer. Effektnivåerna som krävs i detta band för sådana tillämpningar är vanligtvis mycket lägre än de som krävs för tillämpningar såsom laserskärning.

Nära-infraröda till medelinfraröda ljuskällor används också av militären för riktade infraröda motåtgärder mot värmesökande missiler. Förutom högre uteffekt som lämpar sig för att blända infraröda kameror, krävs också bred spektral täckning inom det atmosfäriska transmissionsbandet (cirka 3-4 μm och 8-13 μm) för att förhindra enkla skårade filter från att skydda infraröda detektorer.

Det ovan beskrivna atmosfäriska transmissionsfönstret kan också användas för optisk kommunikation i fritt utrymme via riktade strålar, och kvantkaskadlasrar används i många applikationer för detta ändamål.

I vissa fall krävs ultrakorta medelinfraröda pulser. Till exempel kan man använda medelinfraröda frekvenskammar i laserspektroskopi, eller utnyttja de höga toppintensiteterna för ultrakorta pulser för laserning. Detta kan genereras med en lägeslåst laser.

Speciellt för nära-infraröda till medelinfraröda ljuskällor har vissa applikationer speciella krav för avsökning av våglängder eller våglängdsavstämning, och avstämbara lasrar med nära-infraröda till medelinfraröda våglängder spelar också en extremt viktig roll i dessa applikationer.

Inom spektroskopi är till exempel avstämbara mellaninfraröda lasrar viktiga verktyg, oavsett om det gäller gasavkänning, miljöövervakning eller kemisk analys. Forskare justerar laserns våglängd för att exakt placera den i mitten av det infraröda området för att detektera specifika molekylära absorptionslinjer. På så sätt kan de få detaljerad information om materiens sammansättning och egenskaper, som att knäcka en kodbok full av hemligheter.

Inom området för medicinsk bildbehandling spelar medelinfraröda avstämbara lasrar också en viktig roll. De används i stor utsträckning inom icke-invasiv diagnostik och bildbehandlingsteknik. Genom att exakt ställa in laserns våglängd kan medelinfrarött ljus penetrera biologisk vävnad, vilket resulterar i högupplösta bilder. Detta är viktigt för att upptäcka och diagnostisera sjukdomar och abnormiteter, som ett magiskt ljus som tittar in i människokroppens inre hemligheter.

Området för försvar och säkerhet är också oskiljaktigt från tillämpningen av mellaninfraröda avstämbara lasrar. Dessa lasrar spelar en nyckelroll i infraröda motåtgärder, särskilt mot värmesökande missiler. Till exempel kan Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) skydda flygplan från att spåras och attackeras av missiler. Genom att snabbt justera laserns våglängd kan dessa system störa styrsystemet för inkommande missiler och omedelbart vända striden, som ett magiskt svärd som vaktar himlen.

Fjärranalysteknik är ett viktigt sätt att observera och övervaka jorden, där infraröda inställbara lasrar spelar en nyckelroll. Fält som miljöövervakning, atmosfärisk forskning och jordobservation är beroende av användningen av dessa lasrar. Medel-infraröda inställbara lasrar gör det möjligt för forskare att mäta specifika absorptionslinjer för gaser i atmosfären, vilket ger värdefull data för att hjälpa klimatforskning, föroreningsövervakning och väderprognoser, som en magisk spegel som ger insikter i naturens mysterier.

I industriella miljöer används mellaninfraröda avstämbara lasrar i stor utsträckning för precisionsmaterialbearbetning. Genom att ställa in lasrar till våglängder som absorberas starkt av vissa material möjliggör de selektiv ablation, skärning eller svetsning. Detta möjliggör precisionstillverkning inom områden som elektronik, halvledare och mikrobearbetning. Den avstämbara mellaninfraröda lasern är som en finpolerad skärkniv, vilket gör att industrin kan skära ut fint snidade produkter och visa teknikens briljans.