Zakaj so klasične infrardeče valovne dolžine 808 nm, 1064 nm in 1550 nm?

1. Vir svetlobe (laser)

Osnovne sestavine alaserlahko razdelimo na tri dele: vir črpalke (ki zagotavlja energijo za doseganje inverzije naseljenosti v delovnem mediju); delovni medij (ki ima ustrezno strukturo energijskih nivojev, ki omogoča inverzijo naseljenosti pod delovanjem črpalke, kar omogoča prehod elektronov iz visokih energijskih nivojev na nižje nivoje in sproščanje energije v obliki fotonov); in resonančno votlino.

Lastnosti delovnega medija določajo valovno dolžino oddane laserske svetlobe.

Glavni laser z valovno dolžino 808 nm je polprevodniški laser. Energija pasovne vrzeli polprevodnika določa valovno dolžino oddane laserske svetlobe, zaradi česar je 808 nm relativno pogosta delovna valovna dolžina. Tip polprevodniškega laserja 808 nm je tudi eden najzgodnejših in najbolj intenzivno raziskanih. Njegovo aktivno območje je sestavljeno iz materialov, ki vsebujejo aluminij (kot je InAlGaAs) ali materialov brez aluminija (kot je GaAsP). Ta vrsta laserja ponuja prednosti, kot so nizki stroški, visoka učinkovitost in dolga življenjska doba.

1064 nm je tudi klasična valovna dolžina za polprevodniške laserje. Delovni material je z neodimom (Nd) dopiran kristal YAG (itrijevo-aluminijev granat Y3AI5012). Aluminijevi ioni v kristalu YAG sinergistično medsebojno delujejo z Nd-dopiranimi kationi, kar ustvarja primerno prostorsko strukturo in strukturo energijskih pasov. Pod delovanjem vzbujalne energije se kationi Nd vzbujajo v vzbujeno stanje, pri čemer so podvrženi radioaktivnim prehodom in ustvarjajo sevanje. Poleg tega nudijo kristali Nd:YAG odlično stabilnost in relativno dolgo življenjsko dobo.

1550nm laserje je mogoče ustvariti tudi s polprevodniškimi laserji. Običajno uporabljeni polprevodniški materiali vključujejo InGaAsP, InGaAsN in InGaAlAs.

2. Uporaba in aplikacije

Infrardeči pas ima številne aplikacije, kot so optične komunikacije, zdravstvo, biomedicinsko slikanje, laserska obdelava itd.

Vzemimo za primer optične komunikacije. Trenutne komunikacije z optičnimi vlakni uporabljajo kvarčna vlakna. Da bi zagotovili, da lahko svetloba prenaša informacije na velike razdalje brez izgube, moramo upoštevati, katere valovne dolžine svetlobe se najbolje prenašajo skozi vlakno.

V bližnjem infrardečem pasu se izguba navadnega kremenčevega vlakna zmanjšuje z naraščajočo valovno dolžino, pri čemer so izključeni vrhovi absorpcije nečistoč. Tri "okna" valovne dolžine z zelo nizko izgubo obstajajo pri 0,85 μm, 1,31 μm in 1,55 μm. Emisijska valovna dolžina laserja vira svetlobe in odziv valovne dolžine fotodiode fotodetektorja morata biti usklajena s temi tremi okni valovnih dolžin. Natančneje, v laboratorijskih pogojih je izguba pri 1,55 μm dosegla 0,1419 dB/km in se približala teoretični meji izgub za kremenčeva vlakna.

Svetloba v tem območju valovnih dolžin lahko razmeroma dobro prodre skozi biološko tkivo in se uporablja na področjih, kot je fototermalna terapija. Na primer, Yue et al. izdelal nanodelce, usmerjene na heparin-folat, z uporabo cianin bližnjega infrardečega barvila IR780, ki ima največjo absorpcijsko valovno dolžino približno 780 nm in emisijsko valovno dolžino 807 nm. Pri koncentraciji 10 mg/mL je lasersko obsevanje (laser 808 nm, gostota moči 0,6 W/cm²) za 2 minuti zvišalo temperaturo s 23 °C na 42 °C. Odmerek 1,4 mg/kg so dali mišim, ki so nosile tumorje MCF-7 s pozitivnimi folatnimi receptorji, in tumorje obsevali z lasersko svetlobo 808 nm (0,8 W/cm²) 5 minut. V naslednjih dneh so opazili znatno zmanjšanje tumorja.

Druge aplikacije vključujejo infrardeči lidar. Trenutni pas valovne dolžine 905 nm ima šibke vremenske motnje in nezadostno prodre v dež in meglo. Lasersko sevanje pri 1,5 μm pade znotraj atmosferskega okna 1,5–1,8 μm, kar ima za posledico nizko dušenje v zraku. Poleg tega 905 nm spada v pas, nevaren za oči, kar zahteva omejitev moči za zmanjšanje škode. Vendar je 1550 nm varen za oči, zato najde aplikacije tudi v lidarju.

Če povzamemo,laserjina teh valovnih dolžinah so zreli in stroškovno učinkoviti ter kažejo odlično zmogljivost v različnih aplikacijah. Ti dejavniki skupaj so pripeljali do široke uporabe laserjev na teh valovnih dolžinah.