Lasery przestrajalne w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni

Różne definicje zakresów widmowych.

Ogólnie rzecz biorąc, gdy ludzie mówią o źródłach światła podczerwonego, mają na myśli światło o długości fali próżni większej niż ~ 700–800 nm (górna granica zakresu długości fal widzialnych).

Dolna granica konkretnej długości fali nie jest jasno zdefiniowana w tym opisie, ponieważ postrzeganie podczerwieni przez ludzkie oko powoli maleje, a nie zanika na klifie.

Na przykład reakcja ludzkiego oka na światło o długości fali 700 nm jest już bardzo słaba, ale jeśli światło jest wystarczająco mocne, oko ludzkie może nawet zobaczyć światło emitowane przez niektóre diody laserowe o długości fali przekraczającej 750 nm, co również powoduje powstawanie podczerwieni lasery stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa. --Nawet jeśli nie jest zbyt jasny dla ludzkiego oka, jego rzeczywista moc może być bardzo wysoka.

Podobnie, podobnie jak dolny zakres definicji źródła światła podczerwonego (700 ~ 800 nm), górny zakres definicji źródła światła podczerwonego również jest niepewny. Ogólnie rzecz biorąc, jest to około 1 mm.

Oto kilka powszechnych definicji pasma podczerwieni:

Obszar widma bliskiej podczerwieni (zwany także IR-A), zakres ~750-1400 nm.

Lasery emitowane w tym obszarze długości fal są podatne na hałas i stwarzają problemy dla bezpieczeństwa ludzkiego oka, ponieważ funkcja ogniskowania ludzkiego oka jest kompatybilna z zakresami światła bliskiej podczerwieni i światła widzialnego, dzięki czemu źródło światła pasma bliskiej podczerwieni może być przesyłane i skupiane na wrażliwa siatkówka w ten sam sposób, ale światło pasma bliskiej podczerwieni nie wyzwala ochronnego odruchu mrugnięcia. W rezultacie siatkówka ludzkiego oka jest uszkadzana przez nadmierną energię wynikającą z niewrażliwości. Dlatego stosując źródła światła w tym paśmie należy zwrócić szczególną uwagę na ochronę oczu.

Zakres krótkich fal podczerwieni (SWIR, IR-B) od 1,4-3 μm.

Obszar ten jest stosunkowo bezpieczny dla oczu, ponieważ światło to jest pochłaniane przez oko, zanim dotrze do siatkówki. Na przykład w tym regionie działają wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem stosowane w komunikacji światłowodowej.

Zakres średniej fali podczerwieni (MWIR) wynosi 3-8 μm.

W niektórych częściach regionu atmosfera wykazuje silną absorpcję; wiele gazów atmosferycznych będzie miało linie absorpcyjne w tym paśmie, np. dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Również dlatego, że wiele gazów wykazuje silną absorpcję w tym paśmie. Silna charakterystyka absorpcji sprawia, że ​​ten obszar widmowy jest szeroko stosowany do wykrywania gazów w atmosferze.

Zakres podczerwieni długofalowej (LWIR) wynosi 8–15 μm.

Następna w kolejności jest daleka podczerwień (FIR), która waha się od 15 μm do 1 mm (ale są też definicje rozpoczynające się od 50 μm, patrz ISO 20473). Ten obszar widmowy jest używany głównie do obrazowania termowizyjnego.

Celem artykułu jest omówienie wyboru szerokopasmowych laserów o przestrajalnej długości fali, wyposażonych w źródła światła od bliskiej do średniej podczerwieni, do których może należeć powyższa podczerwień o krótkich falach (SWIR, IR-B w zakresie 1,4-3 μm) oraz część średniofalowa podczerwień (MWIR, zakres 3-8 μm).

Typowym zastosowaniem

Typowym zastosowaniem źródeł światła w tym paśmie jest identyfikacja widm absorpcji lasera w gazach śladowych (np. teledetekcja w diagnostyce medycznej i monitorowaniu środowiska). W tym przypadku analiza wykorzystuje silne i charakterystyczne pasma absorpcji wielu cząsteczek w obszarze widma średniej podczerwieni, które służą jako „molekularne odciski palców”. Chociaż niektóre z tych cząsteczek można również badać za pomocą linii absorpcji pana w obszarze bliskiej podczerwieni, ponieważ źródła laserowe bliskiej podczerwieni są łatwiejsze do przygotowania, istnieją zalety stosowania silnych podstawowych linii absorpcyjnych w obszarze średniej podczerwieni o wyższej czułości .

W obrazowaniu w średniej podczerwieni wykorzystywane są również źródła światła w tym paśmie. Ludzie zwykle korzystają z faktu, że światło średniej podczerwieni może wnikać głębiej w materiały i jest mniej rozpraszane. Na przykład, w odpowiednich zastosowaniach obrazowania hiperspektralnego, od bliskiej do średniej podczerwieni może dostarczyć informacji widmowych dla każdego piksela (lub woksela).

W związku z ciągłym rozwojem źródeł lasera średniej podczerwieni, takich jak lasery światłowodowe, zastosowania w obróbce laserowej materiałów niemetalowych stają się coraz bardziej praktyczne. Zazwyczaj ludzie wykorzystują silną absorpcję światła podczerwonego przez niektóre materiały, takie jak folie polimerowe, do selektywnego usuwania materiałów.

Typowym przypadkiem jest to, że przezroczyste folie przewodzące z tlenku indu i cyny (ITO) stosowane na elektrody w urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych muszą być strukturyzowane za pomocą selektywnej ablacji laserowej. Innym przykładem jest precyzyjne usuwanie powłok ze światłowodów. Poziomy mocy wymagane w tym paśmie dla takich zastosowań są zazwyczaj znacznie niższe niż te wymagane w zastosowaniach takich jak cięcie laserowe.

Źródła światła bliskiej i średniej podczerwieni są również wykorzystywane przez wojsko do kierunkowych środków zaradczych w podczerwieni przeciwko rakietom namierzającym ciepło. Oprócz wyższej mocy wyjściowej odpowiedniej dla oślepiających kamer na podczerwień, wymagane jest również szerokie pokrycie widma w paśmie transmisji atmosferycznej (około 3-4 μm i 8-13 μm), aby zapobiec ochronie detektorów podczerwieni przez proste filtry karbowane.

Opisane powyżej okno transmisji atmosferycznej można również wykorzystać do komunikacji optycznej w wolnej przestrzeni za pośrednictwem wiązek kierunkowych, a w wielu zastosowaniach wykorzystuje się w tym celu kwantowe lasery kaskadowe.

W niektórych przypadkach wymagane są ultrakrótkie impulsy średniej podczerwieni. Na przykład można zastosować grzebienie częstotliwości średniej podczerwieni w spektroskopii laserowej lub wykorzystać wysokie intensywności szczytowe ultrakrótkich impulsów do laserowania. Można to wygenerować za pomocą lasera z synchronizacją modów.

W szczególności w przypadku źródeł światła od bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni niektóre zastosowania mają specjalne wymagania dotyczące długości fal skanujących lub przestrajania długości fali, a przestrajalne lasery o długości fali od bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni również odgrywają niezwykle ważną rolę w tych zastosowaniach.

Na przykład w spektroskopii przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni są niezbędnymi narzędziami do wykrywania gazu, monitorowania środowiska czy analizy chemicznej. Naukowcy dostosowują długość fali lasera, aby precyzyjnie ustawić go w zakresie średniej podczerwieni i wykryć określone linie absorpcji molekularnej. W ten sposób mogą uzyskać szczegółowe informacje na temat składu i właściwości materii, niczym złamanie księgi kodów pełnej tajemnic.

W dziedzinie obrazowania medycznego ważną rolę odgrywają również przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni. Znajdują szerokie zastosowanie w nieinwazyjnych technologiach diagnostycznych i obrazowych. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu długości fali lasera światło średniej podczerwieni może przenikać tkankę biologiczną, tworząc obrazy o wysokiej rozdzielczości. Jest to ważne przy wykrywaniu i diagnozowaniu chorób i nieprawidłowości, niczym magiczne światło zaglądające w wewnętrzne tajemnice ludzkiego ciała.

Z zastosowaniem przestrajalnych laserów średniej podczerwieni nierozerwalnie wiąże się także dziedzina obronności i bezpieczeństwa. Lasery te odgrywają kluczową rolę w środkach zaradczych na podczerwień, szczególnie przeciwko rakietom naprowadzanym na ciepło. Na przykład kierunkowy system przeciwdziałania podczerwieni (DIRCM) może chronić statki powietrzne przed śledzeniem i atakiem rakietowym. Dzięki szybkiej regulacji długości fali lasera systemy te mogą zakłócać system naprowadzania nadlatujących rakiet i natychmiast odwrócić losy bitwy, niczym magiczny miecz strzegący nieba.

Technologia teledetekcji jest ważnym sposobem obserwacji i monitorowania Ziemi, w której kluczową rolę odgrywają przestrajalne lasery na podczerwień. Dziedziny takie jak monitorowanie środowiska, badania atmosfery i obserwacja Ziemi opierają się na wykorzystaniu tych laserów. Przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni umożliwiają naukowcom pomiar określonych linii absorpcji gazów w atmosferze, dostarczając cennych danych pomocnych w badaniach klimatycznych, monitorowaniu zanieczyszczeń i prognozowaniu pogody, niczym magiczne lustro, które zapewnia wgląd w tajemnice natury.

W warunkach przemysłowych do precyzyjnej obróbki materiałów powszechnie stosuje się przestrajalne lasery działające w średniej podczerwieni. Dostrajając lasery do długości fal silnie absorbowanych przez określone materiały, umożliwiają selektywną ablację, cięcie lub spawanie. Umożliwia to precyzyjną produkcję w takich obszarach, jak elektronika, półprzewodniki i mikroobróbka. Przestrajalny laser o średniej podczerwieni działa jak drobno wypolerowany nóż rzeźbiarski, umożliwiając przemysłowi wycinanie drobno rzeźbionych produktów i pokazywanie świetności technologii.