Dlaczego klasyczne długości fal podczerwieni to 808 nm, 1064 nm i 1550 nm?

1. Źródło światła (laser)

Podstawowe elementy Alasermożna podzielić na trzy części: źródło pompy (zapewniające energię do osiągnięcia inwersji obsadzeń w czynniku roboczym); czynnik roboczy (posiadający odpowiednią strukturę poziomów energetycznych, która umożliwia inwersję obsadzeń pod wpływem działania pompy, umożliwiając elektronom przejście z wyższych poziomów energii na niższy i uwolnienie energii w postaci fotonów); i wnękę rezonansową.

Właściwości ośrodka roboczego determinują długość fali emitowanego światła laserowego.

Laser głównego nurtu o długości fali 808 nm to laser półprzewodnikowy. Energia pasma wzbronionego półprzewodnika określa długość fali emitowanego światła laserowego, co sprawia, że ​​808 nm jest stosunkowo powszechną długością fali roboczej. Laser półprzewodnikowy typu 808 nm jest także jednym z najwcześniejszych i najintensywniej badanych. Jego obszar aktywny składa się z materiałów zawierających glin (takich jak InAlGaAs) lub materiałów niezawierających aluminium (takich jak GaAsP). Ten typ lasera oferuje zalety, takie jak niski koszt, wysoka wydajność i długa żywotność.

1064 nm to także klasyczna długość fali dla laserów na ciele stałym. Materiałem roboczym jest kryształ YAG (granat itrowo-aluminiowy Y3AI5012) domieszkowany neodymem (Nd). Jony glinu w krysztale YAG oddziałują synergicznie z kationami domieszkowanymi Nd, tworząc odpowiednią strukturę przestrzenną i strukturę pasm energetycznych. Pod wpływem energii wzbudzenia kationy Nd ulegają wzbudzeniu do stanu wzbudzonego, ulegając przemianom radioaktywnym i generując zjawisko laserowania. Ponadto kryształy Nd:YAG zapewniają doskonałą stabilność i stosunkowo długą żywotność.

Lasery 1550 nm można również generować za pomocą laserów półprzewodnikowych. Powszechnie stosowane materiały półprzewodnikowe obejmują InGaAsP, InGaAsN i InGaAlAs.

2. Zastosowania i zastosowania

Pasmo podczerwieni ma wiele zastosowań, takich jak komunikacja optyczna, opieka zdrowotna, obrazowanie biomedyczne, obróbka laserowa i nie tylko.

Weźmy na przykład komunikację optyczną. Obecna komunikacja światłowodowa wykorzystuje włókno kwarcowe. Aby mieć pewność, że światło może przenosić informacje na duże odległości bez strat, musimy rozważyć, które długości fal światła są najlepiej przesyłane przez włókno.

W paśmie bliskiej podczerwieni straty w zwykłym włóknie kwarcowym zmniejszają się wraz ze wzrostem długości fali, z wyłączeniem pików absorpcji zanieczyszczeń. Istnieją trzy „okna” długości fal o bardzo małych stratach przy 0,85 μm, 1,31 μm i 1,55 μm. Długość fali emisji lasera będącego źródłem światła i odpowiedź długości fali fotodiody fotodetektora muszą pokrywać się z tymi trzema oknami długości fali. W szczególności w warunkach laboratoryjnych strata przy 1,55 μm osiągnęła 0,1419 dB/km, zbliżając się do teoretycznej granicy strat dla włókna kwarcowego.

Światło w tym zakresie długości fal może stosunkowo dobrze przenikać przez tkankę biologiczną i ma zastosowanie w takich obszarach, jak terapia fototermiczna. Na przykład Yue i in. skonstruowali nanocząstki ukierunkowane na heparynę i folian przy użyciu cyjaninowego barwnika bliskiej podczerwieni IR780, który ma maksymalną długość fali absorpcji około 780 nm i długość fali emisji 807 nm. Przy stężeniu 10 mg/ml naświetlanie laserem (laser 808 nm, gęstość mocy 0,6 W/cm²) przez 2 minuty podniosło temperaturę z 23°C do 42°C. Myszom z guzami MCF-7 dodatnimi pod względem receptora folianowego podano dawkę 1,4 mg/kg, a guzy naświetlano światłem laserowym o długości fali 808 nm (0,8 W/cm²) przez 5 minut. W kolejnych dniach obserwowano znaczne zmniejszenie guza.

Inne zastosowania obejmują lidar na podczerwień. Obecne pasmo długości fali 905 nm ma słabe możliwości zakłócania pogody i niewystarczającą penetrację deszczu i mgły. Promieniowanie laserowe o długości fali 1,5 μm mieści się w oknie atmosferycznym o wielkości 1,5–1,8 μm, co skutkuje niskim tłumieniem w powietrzu. Co więcej, 905 nm mieści się w paśmie niebezpiecznym dla oczu, co wymaga ograniczenia mocy w celu zminimalizowania uszkodzeń. Jednak 1550 nm jest bezpieczne dla oczu, dlatego znajduje zastosowanie również w lidarze.

Podsumowując,laseryna tych długościach fal są zarówno dojrzałe, jak i opłacalne oraz wykazują doskonałą wydajność w różnych zastosowaniach. Połączenie tych czynników doprowadziło do powszechnego stosowania laserów o tych długościach fal.