Waarom zijn de klassieke infraroodgolflengten 808 nm, 1064 nm en 1550 nm?

1. Lichtbron (laser)

De basiscomponenten van eenlaserkan in drie delen worden verdeeld: een pompbron (die energie levert om populatie-inversie in het werkmedium te bereiken); een werkmedium (dat een geschikte energieniveaustructuur heeft die populatie-inversie mogelijk maakt onder invloed van de pomp, waardoor elektronen van hoge energieniveaus naar het lagere niveau kunnen overgaan en energie vrijkomen in de vorm van fotonen); en een resonantieholte.

De eigenschappen van het werkmedium bepalen de golflengte van het uitgezonden laserlicht.

De reguliere laser met een golflengte van 808 nm is een halfgeleiderlaser. De bandafstandsenergie van de halfgeleider bepaalt de golflengte van het uitgezonden laserlicht, waardoor 808 nm een ​​relatief gebruikelijke bedrijfsgolflengte is. Het 808 nm-type halfgeleiderlaser is ook een van de vroegste en meest intensief onderzochte. Het actieve gebied bestaat uit aluminiumhoudende materialen (zoals InAlGaAs) of aluminiumvrije materialen (zoals GaAsP). Dit type laser biedt voordelen zoals lage kosten, hoge efficiëntie en een lange levensduur.

1064 nm is ook een klassieke golflengte voor vastestoflasers. Het werkmateriaal is een neodymium (Nd)-gedoteerd YAG-kristal (yttrium aluminium granaat Y3AI5012). De aluminiumionen in het YAG-kristal werken synergetisch samen met de Nd-gedoteerde kationen, waardoor een geschikte ruimtelijke structuur en energiebandstructuur ontstaat. Onder invloed van excitatie-energie worden de Nd-kationen opgewonden tot een aangeslagen toestand, waarbij ze radioactieve overgangen ondergaan en laserwerking genereren. Bovendien bieden Nd:YAG-kristallen uitstekende stabiliteit en een relatief lange levensduur.

Lasers van 1550 nm kunnen ook worden gegenereerd met behulp van halfgeleiderlasers. Veelgebruikte halfgeleidermaterialen zijn InGaAsP, InGaAsN en InGaAlAs.

2. Gebruik en toepassingen

De infraroodband heeft talloze toepassingen, zoals optische communicatie, gezondheidszorg, biomedische beeldvorming, laserverwerking en meer.

Neem optische communicatie als voorbeeld. De huidige glasvezelcommunicatie maakt gebruik van kwartsvezels. Om ervoor te zorgen dat licht zonder verlies informatie over lange afstanden kan transporteren, moeten we overwegen welke golflengten van licht het beste door de vezel kunnen worden overgedragen.

In de nabij-infrarode band neemt het verlies aan gewone kwartsvezels af met toenemende golflengte, met uitzondering van pieken in de absorptie van onzuiverheden. Er bestaan ​​"vensters" met drie golflengten met zeer laag verlies bij 0,85 μm, 1,31 μm en 1,55 μm. De emissiegolflengte van de lichtbronlaser en de golflengterespons van de fotodetectorfotodiode moeten op één lijn liggen met deze drie golflengtevensters. Concreet heeft het verlies bij 1,55 μm onder laboratoriumomstandigheden 0,1419 dB/km bereikt, wat de theoretische verlieslimiet voor kwartsvezels benadert.

Licht in dit golflengtebereik kan relatief goed biologisch weefsel binnendringen en heeft toepassingen op gebieden als fotothermische therapie. Yue et al. geconstrueerde op heparine-folaat gerichte nanodeeltjes met behulp van de cyanine nabij-infraroodkleurstof IR780, die een maximale absorptiegolflengte heeft van ongeveer 780 nm en een emissiegolflengte van 807 nm. Bij een concentratie van 10 mg/ml verhoogde laserbestraling (808 nm laser, 0,6 W/cm² vermogensdichtheid) gedurende 2 minuten de temperatuur van 23°C naar 42°C. Een dosis van 1,4 mg/kg werd toegediend aan muizen die folaatreceptor-positieve MCF-7-tumoren droegen, en de tumoren werden gedurende 5 minuten bestraald met 808 nm laserlicht (0,8 W/cm²). In de daaropvolgende dagen werd een significante tumorkrimp waargenomen.

Andere toepassingen zijn onder meer infrarood-lidar. De huidige golflengteband van 905 nm heeft zwakke weersinterferentiemogelijkheden en onvoldoende penetratie in regen en mist. Laserstraling van 1,5 μm valt binnen het atmosferische venster van 1,5–1,8 μm, wat resulteert in een lage verzwakking in de lucht. Bovendien valt 905 nm binnen de band die gevaarlijk is voor de ogen, waardoor vermogensbeperking nodig is om schade te minimaliseren. 1550 nm is echter oogveilig, dus het vindt ook toepassingen in lidar.

Samenvattend,lasersbij deze golflengten zijn zowel volwassen als kosteneffectief, en ze vertonen uitstekende prestaties in verschillende toepassingen. Deze factoren samen hebben geleid tot het wijdverbreide gebruik van lasers in deze golflengten.