Varför är de klassiska infraröda våglängderna 808nm, 1064nm och 1550nm?

1. Ljuskälla (laser)

De grundläggande komponenterna i enlaserkan delas in i tre delar: en pumpkälla (som ger energi för att uppnå populationsinversion i arbetsmediet); ett arbetsmedium (som har en lämplig energinivåstruktur som möjliggör populationsinversion under inverkan av pumpen, vilket tillåter elektroner att övergå från höga energinivåer till den lägre nivån och frigöra energi i form av fotoner); och en resonanshålighet.

Arbetsmediets egenskaper bestämmer våglängden på det emitterade laserljuset.

Mainstreamlasern med en 808nm våglängd är en halvledarlaser. Bandgapsenergin hos halvledaren bestämmer våglängden för laserljuset som emitteras, vilket gör 808nm till en relativt vanlig arbetsvåglängd. 808nm-typen av halvledarlaser är också en av de tidigaste och mest intensivt efterforskade. Dess aktiva region består av antingen aluminiumhaltiga material (som InAlGaAs) eller aluminiumfria material (som GaAsP). Denna typ av laser erbjuder fördelar som låg kostnad, hög effektivitet och lång livslängd.

1064nm är också en klassisk våglängd för halvledarlasrar. Arbetsmaterialet är en neodym (Nd)-dopad YAG (yttrium aluminium granat Y3AI5012) kristall. Aluminiumjonerna i YAG-kristallen interagerar synergistiskt med de Nd-dopade katjonerna, vilket skapar en lämplig rumslig struktur och energibandstruktur. Under verkan av excitationsenergi exciteras Nd-katjonerna till ett exciterat tillstånd, genomgår radioaktiva övergångar och genererar lasring. Dessutom erbjuder Nd:YAG-kristaller utmärkt stabilitet och en relativt lång livslängd.

1550nm lasrar kan också genereras med hjälp av halvledarlasrar. Vanligt använda halvledarmaterial inkluderar InGaAsP, InGaAsN och InGaAlAs.

2. Användningar och tillämpningar

Det infraröda bandet har många applikationer, såsom optisk kommunikation, hälsovård, biomedicinsk bildbehandling, laserbehandling och mer.

Ta optisk kommunikation som ett exempel. Nuvarande fiberoptisk kommunikation använder kvartsfiber. För att säkerställa att ljus kan bära information över långa avstånd utan förlust måste vi överväga vilka våglängder av ljus som bäst överförs genom fibern.

I det nära-infraröda bandet minskar förlusten av vanlig kvartsfiber med ökande våglängd, exklusive föroreningsabsorptionstoppar. Tre våglängds "fönster" med mycket låg förlust existerar vid 0,85 μm, 1,31 μm och 1,55 μm. Emissionsvåglängden för ljuskällalasern och våglängdssvaret för fotodetektorfotodioden måste vara i linje med dessa tre våglängdsfönster. Specifikt, under laboratorieförhållanden, har förlusten vid 1,55 μm nått 0,1419 dB/km, vilket närmar sig den teoretiska förlustgränsen för kvartsfiber.

Ljus i detta våglängdsområde kan penetrera biologisk vävnad relativt bra och har tillämpningar inom områden som fototermisk terapi. Till exempel, Yue et al. konstruerade heparin-folat riktade nanopartiklar med användning av cyanin nära-infraröd färg IR780, som har en maximal absorptionsvåglängd på cirka 780 nm och en emissionsvåglängd på 807 nm. Vid en koncentration av 10 mg/ml ökade laserbestrålning (808 nm laser, 0,6 W/cm² effekttäthet) under 2 minuter temperaturen från 23°C till 42°C. En 1,4 mg/kg dos administrerades till möss som bar folatreceptorpositiva MCF-7-tumörer och tumörerna bestrålades med 808 nm laserljus (0,8 W/cm²) under 5 minuter. Signifikant tumörkrympning observerades under de följande dagarna.

Andra applikationer inkluderar infraröd lidar. Det nuvarande 905 nm våglängdsbandet har svaga väderstörningsförmåga och otillräcklig penetration i regn och dimma. Laserstrålning vid 1,5 μm faller inom atmosfärsfönstret på 1,5–1,8 μm, vilket resulterar i låg dämpning i luft. Dessutom faller 905 nm inom det ögonfarliga bandet, vilket kräver effektbegränsning för att minimera skador. Emellertid är 1550 nm ögonsäker, så den kan även användas i lidar.

Sammanfattningsvis,lasrarvid dessa våglängder är både mogna och kostnadseffektiva, och de uppvisar utmärkta prestanda i olika applikationer. Dessa faktorer tillsammans har lett till den utbredda användningen av lasrar i dessa våglängder.