Nabij-infrarood tot midden-infrarood afstembare lasers

Verschillende definities van spectrale bereik.

Als mensen het over infraroodlichtbronnen hebben, bedoelen ze over het algemeen licht met vacuümgolflengten groter dan ~700-800 nm (de bovengrens van het zichtbare golflengtebereik).

De specifieke ondergrens van de golflengte wordt in deze beschrijving niet duidelijk gedefinieerd, omdat de perceptie van infrarood door het menselijk oog langzaam afneemt in plaats van af te snijden op een klif.

De respons van licht op 700 nm op het menselijk oog is bijvoorbeeld al erg laag, maar als het licht sterk genoeg is, kan het menselijk oog zelfs het licht zien dat wordt uitgezonden door sommige laserdiodes met een golflengte groter dan 750 nm, waardoor ook infrarood lasers vormen een veiligheidsrisico. --Zelfs als het voor het menselijk oog niet erg helder is, kan de werkelijke kracht ervan erg hoog zijn.

Op dezelfde manier is, net als het ondergrensbereik van de infraroodlichtbron (700 ~ 800 nm), ook het bovengrensdefinitiebereik van de infraroodlichtbron onzeker. Over het algemeen is dit ongeveer 1 mm.

Hier zijn enkele veel voorkomende definities van de infraroodband:

Nabij-infrarood spectraal gebied (ook wel IR-A genoemd), bereik ~750-1400 nm.

Lasers die in dit golflengtegebied worden uitgezonden, zijn gevoelig voor problemen met lawaai en de veiligheid van het menselijk oog, omdat de focusfunctie voor het menselijk oog compatibel is met het nabij-infrarode en zichtbare lichtbereik, zodat de nabij-infraroodbandlichtbron kan worden verzonden en gefocust op de gevoelige netvlies op dezelfde manier, maar het nabij-infraroodbandlicht activeert niet de beschermende knipperreflex. Als gevolg hiervan wordt het netvlies van het menselijk oog beschadigd door overmatige energie als gevolg van ongevoeligheid. Daarom moet bij gebruik van lichtbronnen in deze band de volledige aandacht worden besteed aan oogbescherming.

Infrarood met korte golflengte (SWIR, IR-B) bereik van 1,4-3 μm.

Dit gebied is relatief veilig voor de ogen, omdat dit licht door het oog wordt geabsorbeerd voordat het het netvlies bereikt. Erbium-gedoteerde vezelversterkers die worden gebruikt in glasvezelcommunicatie werken bijvoorbeeld in deze regio.

Het middengolf-infraroodbereik (MWIR) is 3-8 μm.

De atmosfeer vertoont sterke absorptie in delen van de regio; veel atmosferische gassen hebben absorptielijnen in deze band, zoals kooldioxide (CO2) en waterdamp (H2O). Ook omdat veel gassen een sterke absorptie in deze band vertonen. Dankzij de sterke absorptie-eigenschappen wordt dit spectrale gebied veel gebruikt voor gasdetectie in de atmosfeer.

Het langegolf-infraroodbereik (LWIR) bedraagt ​​8-15 μm.

Het volgende is ver-infrarood (FIR), dat varieert van 15 μm-1 mm (maar er zijn ook definities vanaf 50 μm, zie ISO 20473). Dit spectrale gebied wordt voornamelijk gebruikt voor thermische beeldvorming.

Dit artikel heeft tot doel de selectie van breedbandlasers met afstembare golflengte te bespreken met nabij-infrarode tot midden-infrarode lichtbronnen, waaronder mogelijk het bovengenoemde kortegolf-infrarood (SWIR, IR-B, variërend van 1,4-3 μm) en een deel van de middengolf infrarood (MWIR, bereik is 3-8 μm).

Typische applicatie

Een typische toepassing van lichtbronnen in deze band is de identificatie van laserabsorptiespectra in sporengassen (bijvoorbeeld teledetectie bij medische diagnoses en omgevingsmonitoring). Hier maakt de analyse gebruik van de sterke en karakteristieke absorptiebanden van veel moleculen in het midden-infrarode spectrale gebied, die dienen als "moleculaire vingerafdrukken". Hoewel men sommige van deze moleculen ook kan bestuderen via pan-absorptielijnen in het nabij-infraroodgebied, zijn er, aangezien nabij-infraroodlaserbronnen gemakkelijker te bereiden zijn, voordelen aan het gebruik van sterke fundamentele absorptielijnen in het midden-infraroodgebied met een hogere gevoeligheid. .

Bij midden-infraroodbeeldvorming worden ook lichtbronnen in deze band gebruikt. Mensen profiteren meestal van het feit dat midden-infraroodlicht dieper in materialen kan doordringen en minder verstrooiing kent. In overeenkomstige hyperspectrale beeldvormingstoepassingen kan bijvoorbeeld nabij-infrarood tot midden-infrarood spectrale informatie verschaffen voor elke pixel (of voxel).

Door de voortdurende ontwikkeling van midden-infraroodlaserbronnen, zoals fiberlasers, worden toepassingen voor de verwerking van niet-metalen lasermaterialen steeds praktischer. Meestal maken mensen gebruik van de sterke absorptie van infrarood licht door bepaalde materialen, zoals polymeerfilms, om materialen selectief te verwijderen.

Een typisch geval is dat transparante geleidende films van indiumtinoxide (ITO) die worden gebruikt voor elektroden in elektronische en opto-elektronische apparaten, moeten worden gestructureerd door selectieve laserablatie. Een ander voorbeeld is het nauwkeurig strippen van coatings op optische vezels. De voor dergelijke toepassingen vereiste vermogensniveaus in deze band zijn doorgaans veel lager dan die vereist voor toepassingen zoals lasersnijden.

Nabij- tot midden-infraroodlichtbronnen worden ook door het leger gebruikt voor gerichte infrarood-tegenmaatregelen tegen hittezoekende raketten. Naast een hoger uitgangsvermogen dat geschikt is voor het verblinden van infraroodcamera's, is ook een brede spectrale dekking binnen de atmosferische transmissieband (ongeveer 3-4 μm en 8-13 μm) vereist om te voorkomen dat eenvoudige gekerfde filters infrarooddetectoren beschermen.

Het hierboven beschreven atmosferische transmissievenster kan ook worden gebruikt voor optische communicatie in de vrije ruimte via gerichte bundels, en voor dit doel worden in veel toepassingen kwantumcascadelasers gebruikt.

In sommige gevallen zijn ultrakorte pulsen in het midden-infrarood nodig. Men zou bijvoorbeeld midden-infrarood frequentiekammen kunnen gebruiken bij laserspectroscopie, of de hoge piekintensiteiten van ultrakorte pulsen kunnen benutten voor laserwerking. Dit kan worden gegenereerd met een mode-locked laser.

Met name voor nabij-infrarode tot midden-infrarode lichtbronnen stellen sommige toepassingen speciale eisen aan het scannen van golflengten of de afstembaarheid van de golflengte, en afstembare lasers van nabij-infrarode tot midden-infrarode golflengte spelen ook een uiterst belangrijke rol in deze toepassingen.

Bij spectroscopie zijn afstembare midden-infraroodlasers bijvoorbeeld essentiële hulpmiddelen, of het nu gaat om gasdetectie, omgevingsmonitoring of chemische analyse. Wetenschappers passen de golflengte van de laser aan om deze nauwkeurig in het midden-infraroodbereik te positioneren en specifieke moleculaire absorptielijnen te detecteren. Op deze manier kunnen ze gedetailleerde informatie verkrijgen over de samenstelling en eigenschappen van materie, zoals het kraken van een codeboek vol geheimen.

Op het gebied van medische beeldvorming spelen afstembare midden-infraroodlasers ook een belangrijke rol. Ze worden veel gebruikt in niet-invasieve diagnostische en beeldvormingstechnologieën. Door de golflengte van de laser nauwkeurig af te stemmen, kan midden-infraroodlicht biologisch weefsel binnendringen, wat resulteert in beelden met een hoge resolutie. Dit is belangrijk voor het opsporen en diagnosticeren van ziekten en afwijkingen, zoals een magisch licht dat in de innerlijke geheimen van het menselijk lichaam tuurt.

Het terrein van defensie en veiligheid is ook onlosmakelijk verbonden met de toepassing van afstembare midden-infraroodlasers. Deze lasers spelen een sleutelrol bij infrarood-tegenmaatregelen, vooral tegen hittezoekende raketten. Het Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) kan bijvoorbeeld vliegtuigen beschermen tegen gevolgd en aangevallen door raketten. Door de golflengte van de laser snel aan te passen, kunnen deze systemen het geleidingssysteem van binnenkomende raketten verstoren en onmiddellijk het tij van de strijd keren, als een magisch zwaard dat de lucht bewaakt.

Teledetectietechnologie is een belangrijk middel om de aarde te observeren en te monitoren, waarbij infrarode afstembare lasers een sleutelrol spelen. Velden zoals milieumonitoring, atmosferisch onderzoek en aardobservatie zijn allemaal afhankelijk van het gebruik van deze lasers. Met mid-infrarood afstembare lasers kunnen wetenschappers specifieke absorptielijnen van gassen in de atmosfeer meten, wat waardevolle gegevens oplevert ter ondersteuning van klimaatonderzoek, monitoring van vervuiling en weersvoorspellingen, zoals een magische spiegel die inzicht geeft in de mysteries van de natuur.

In industriële omgevingen worden afstembare midden-infraroodlasers veel gebruikt voor nauwkeurige materiaalverwerking. Door lasers af te stemmen op golflengten die sterk worden geabsorbeerd door bepaalde materialen, maken ze selectieve ablatie, snijden of lassen mogelijk. Dit maakt precisieproductie mogelijk op gebieden zoals elektronica, halfgeleiders en microbewerking. De afstembare midden-infraroodlaser is als een fijn gepolijst vleesmes, waardoor de industrie fijn gesneden producten kan uitsnijden en de schittering van de technologie kan laten zien.