Nastavljivi laserji blizu infrardečega do srednjega infrardečega

Različne definicije spektralnih območij.

Na splošno, ko ljudje govorijo o virih infrardeče svetlobe, mislijo na svetlobo z vakuumskimi valovnimi dolžinami, večjimi od ~700–800 nm (zgornja meja vidnega območja valovnih dolžin).

Specifična spodnja meja valovne dolžine v tem opisu ni jasno opredeljena, ker se zaznavanje infrardeče svetlobe s človeškim očesom počasi zmanjšuje, namesto da bi se odrezalo pri pečini.

Na primer, odziv svetlobe pri 700 nm za človeško oko je že zelo nizek, če pa je svetloba dovolj močna, lahko človeško oko vidi celo svetlobo, ki jo oddajajo nekatere laserske diode z valovno dolžino, ki presega 750 nm, kar prav tako naredi infrardečo laserji predstavljajo varnostno tveganje. --Tudi če ni zelo svetel za človeško oko, je lahko njegova dejanska moč zelo velika.

Podobno, tako kot območje spodnje meje vira infrardeče svetlobe (700~800 nm), je tudi območje definicije zgornje meje vira infrardeče svetlobe negotova. Na splošno je približno 1 mm.

Tukaj je nekaj pogostih definicij infrardečega pasu:

Bližnje infrardeče spektralno območje (imenovano tudi IR-A), območje ~750–1400 nm.

Laserji, ki se oddajajo v tem območju valovnih dolžin, so nagnjeni k hrupu in težavam z varnostjo človeških oči, saj je funkcija ostrenja človeškega očesa združljiva z območji bližnje infrardeče in vidne svetlobe, tako da se svetlobni vir bližnjega infrardečega pasu lahko prenese in izostri na občutljiva mrežnica na enak način, vendar svetloba bližnjega infrardečega pasu ne sproži zaščitnega refleksa mežikanja. Posledično se mrežnica človeškega očesa poškoduje zaradi prevelike energije zaradi neobčutljivosti. Zato je treba pri uporabi svetlobnih virov v tem pasu vso pozornost posvetiti zaščiti oči.

Kratkovalovno infrardeče območje (SWIR, IR-B) je od 1,4 do 3 μm.

To območje je razmeroma varno za oči, saj to svetlobo oko absorbira, preden doseže mrežnico. V tej regiji na primer delujejo ojačevalniki vlaken, dopiranih z erbijem, ki se uporabljajo v komunikacijah z optičnimi vlakni.

Srednjevalovno infrardeče območje (MWIR) je 3-8 μm.

Ozračje kaže močno absorpcijo v delih regije; veliko atmosferskih plinov bo imelo absorpcijske črte v tem pasu, kot sta ogljikov dioksid (CO2) in vodna para (H2O). Tudi zato, ker veliko plinov kaže močno absorpcijo v tem pasu Zaradi močnih absorpcijskih značilnosti se to spektralno območje pogosto uporablja za zaznavanje plinov v ozračju.

Dolgovalovno infrardeče območje (LWIR) je 8-15 μm.

Sledi daljni infrardeči (FIR), ki sega od 15 μm do 1 mm (vendar obstajajo tudi definicije, ki se začnejo od 50 μm, glejte ISO 20473). To spektralno območje se uporablja predvsem za toplotno slikanje.

Namen tega članka je razpravljati o izbiri širokopasovnih laserjev z nastavljivo valovno dolžino s svetlobnimi viri blizu infrardeče do srednje infrardeče svetlobe, ki lahko vključujejo zgoraj navedeno infrardečo kratkovalovno dolžino (SWIR, IR-B, v razponu od 1,4-3 μm) in del srednjevalovni infrardeči (MWIR, razpon je 3-8 μm).

Tipična uporaba

Tipična uporaba svetlobnih virov v tem pasu je identifikacija laserskih absorpcijskih spektrov v sledovih plinov (npr. daljinsko zaznavanje pri medicinski diagnostiki in spremljanju okolja). Tukaj analiza izkorišča prednosti močnih in značilnih absorpcijskih pasov številnih molekul v srednjem infrardečem spektralnem območju, ki služijo kot "molekularni prstni odtisi". Čeprav lahko nekatere od teh molekul preučujemo tudi s pan-absorpcijskimi črtami v bližnjem infrardečem območju, ker je laserske vire bližnje infrardeče svetlobe lažje pripraviti, obstajajo prednosti uporabe močnih temeljnih absorpcijskih linij v srednjem infrardečem območju z večjo občutljivostjo. .

Pri srednjem infrardečem slikanju se uporabljajo tudi svetlobni viri v tem pasu. Ljudje običajno izkoriščajo dejstvo, da lahko srednje infrardeča svetloba prodre globlje v materiale in se manj razprši. Na primer, v ustreznih aplikacijah za hiperspektralno slikanje lahko od blizu infrardečega do srednjega infrardečega spektra zagotovi spektralne informacije za vsako slikovno piko (ali voksel).

Zaradi nenehnega razvoja laserskih virov srednjega infrardečega spektra, kot so laserji z vlakni, postajajo aplikacije za obdelavo nekovinskih laserskih materialov vse bolj praktične. Običajno ljudje izkoristijo močno absorpcijo infrardeče svetlobe s strani določenih materialov, kot so polimerne folije, za selektivno odstranjevanje materialov.

Tipičen primer je, da je treba prozorne prevodne filme iz indijevega kositrovega oksida (ITO), ki se uporabljajo za elektrode v elektronskih in optoelektronskih napravah, strukturirati s selektivno lasersko ablacijo. Drugi primer je natančno odstranjevanje premazov na optičnih vlaknih. Raven moči, zahtevana v tem pasu za takšne aplikacije, je običajno precej nižja od tistih, ki so potrebne za aplikacije, kot je lasersko rezanje.

Vire svetlobe od blizu infrardeče do srednje infrardeče svetlobe vojska uporablja tudi za usmerjene infrardeče protiukrepe proti izstrelkom za iskanje toplote. Poleg večje izhodne moči, primerne za zaslepitev infrardečih kamer, je potrebna tudi široka spektralna pokritost znotraj atmosferskega prepustnega pasu (okoli 3–4 μm in 8–13 μm), da se prepreči, da bi preprosti zarezani filtri zaščitili infrardeče detektorje.

Zgoraj opisano atmosfersko transmisijsko okno se lahko uporablja tudi za optično komunikacijo v prostem prostoru prek usmerjenih žarkov, kvantni kaskadni laserji pa se v ta namen uporabljajo v številnih aplikacijah.

V nekaterih primerih so potrebni ultrakratki impulzi srednjega infrardečega spektra. Na primer, v laserski spektroskopiji bi lahko uporabili glavnike srednje infrardeče frekvence ali izkoristili visoke konične intenzivnosti ultrakratkih impulzov za lasersko sevanje. To je mogoče ustvariti z laserjem z zaklenjenim načinom.

Zlasti za svetlobne vire od bližnje infrardeče do srednje infrardeče svetlobe imajo nekatere aplikacije posebne zahteve za skeniranje valovnih dolžin ali nastavljivost valovnih dolžin, laserji, nastavljivi od bližnje infrardeče do srednje infrardeče valovne dolžine, pa imajo prav tako izjemno pomembno vlogo v teh aplikacijah.

Na primer, v spektroskopiji so srednje infrardeči nastavljivi laserji bistvena orodja, bodisi pri zaznavanju plinov, spremljanju okolja ali kemijski analizi. Znanstveniki prilagodijo valovno dolžino laserja, da ga natančno postavijo v srednje infrardeče območje, da zaznajo specifične molekularne absorpcijske linije. Na ta način lahko pridobijo podrobne informacije o sestavi in ​​lastnostih snovi, kot bi razbili šifrant, poln skrivnosti.

Na področju medicinskega slikanja igrajo pomembno vlogo tudi srednje infrardeči nastavljivi laserji. Široko se uporabljajo v neinvazivnih diagnostičnih in slikovnih tehnologijah. Z natančno nastavitvijo valovne dolžine laserja lahko srednja infrardeča svetloba prodre skozi biološko tkivo, kar povzroči slike visoke ločljivosti. To je pomembno za odkrivanje in diagnosticiranje bolezni in nepravilnosti, kot čarobna svetloba, ki pokuka v notranje skrivnosti človeškega telesa.

Področje obrambe in varnosti je prav tako neločljivo povezano z uporabo srednje infrardečih nastavljivih laserjev. Ti laserji igrajo ključno vlogo pri infrardečih protiukrepih, zlasti proti izstrelkom za iskanje toplote. Na primer, sistem usmerjenih infrardečih protiukrepov (DIRCM) lahko zaščiti letala pred sledenjem in napadom izstrelkov. S hitrim prilagajanjem valovne dolžine laserja lahko ti sistemi motijo ​​​​sistem za vodenje prihajajočih izstrelkov in takoj spremenijo tok bitke, kot čarobni meč, ki straži nebo.

Tehnologija daljinskega zaznavanja je pomembno sredstvo za opazovanje in spremljanje Zemlje, pri čemer imajo infrardeči nastavljivi laserji ključno vlogo. Področja, kot so spremljanje okolja, atmosferske raziskave in opazovanje Zemlje, so vsa odvisna od uporabe teh laserjev. Srednjeinfrardeči nastavljivi laserji omogočajo znanstvenikom merjenje specifičnih absorpcijskih linij plinov v atmosferi in zagotavljajo dragocene podatke za pomoč podnebnim raziskavam, spremljanju onesnaževanja in napovedovanju vremena, kot čarobno ogledalo, ki ponuja vpogled v skrivnosti narave.

V industrijskih okoljih se srednje infrardeči nastavljivi laserji pogosto uporabljajo za natančno obdelavo materialov. Z uravnavanjem laserjev na valovne dolžine, ki jih določeni materiali močno absorbirajo, omogočajo selektivno ablacijo, rezanje ali varjenje. To omogoča natančno proizvodnjo na področjih, kot so elektronika, polprevodniki in mikrostrojna obdelava. Srednjeinfrardeči nastavljiv laser je kot fino poliran rezbarski nož, ki industriji omogoča, da izrezuje fino izrezljane izdelke in pokaže sijaj tehnologije.