Перестроювані лазери від близького до середнього інфрачервоного діапазону

Різні визначення спектрального діапазону.

Загалом кажучи, коли люди говорять про джерела інфрачервоного світла, вони мають на увазі світло з вакуумною довжиною хвилі понад ~700–800 нм (верхня межа видимого діапазону довжин хвиль).

Конкретна нижня межа довжини хвилі чітко не визначена в цьому описі, оскільки сприйняття інфрачервоного випромінювання людським оком повільно зменшується, а не обривається на скелі.

Наприклад, реакція людського ока на світло з довжиною хвилі 700 нм вже дуже низька, але якщо світло досить сильне, людське око навіть може бачити світло, випромінюване деякими лазерними діодами з довжиною хвилі понад 750 нм, що також робить інфрачервоне лазери становлять ризик для безпеки. --Навіть якщо він не дуже яскравий для людського ока, його фактична потужність може бути дуже високою.

Подібним чином, як і нижня межа діапазону джерела інфрачервоного світла (700~800 нм), верхня межа діапазону визначення джерела інфрачервоного світла також є невизначеною. Загалом, це приблизно 1 мм.

Ось деякі загальні визначення інфрачервоного діапазону:

Близька інфрачервона область спектру (також звана ІЧ-А), діапазон ~750-1400 нм.

Лазери, випромінювані в цій області довжин хвиль, схильні до шуму та проблем із безпекою людського ока, оскільки функція фокусування людського ока сумісна з ближнім інфрачервоним і видимим діапазонами світла, тому джерело світла ближнього інфрачервоного діапазону може передаватися та фокусуватися на чутлива сітківка так само, але світло ближнього інфрачервоного діапазону не викликає захисний рефлекс моргання. У результаті сітківка людського ока пошкоджується надмірною енергією через нечутливість. Тому при використанні джерел світла в цьому діапазоні необхідно приділяти повну увагу захисту очей.

Короткохвильовий інфрачервоний (SWIR, IR-B) діапазон від 1,4-3 мкм.

Ця зона є відносно безпечною для очей, оскільки це світло поглинається оком, перш ніж досягне сітківки. Наприклад, у цьому регіоні працюють леговані ербієм волоконні підсилювачі, які використовуються у волоконно-оптичному зв’язку.

Середньохвильовий інфрачервоний (MWIR) діапазон становить 3-8 мкм.

Атмосфера демонструє сильне поглинання в деяких частинах регіону; багато атмосферних газів матимуть лінії поглинання в цій смузі, такі як вуглекислий газ (CO2) і водяна пара (H2O). Крім того, оскільки багато газів демонструють сильне поглинання в цій смузі. Сильні характеристики поглинання роблять цю спектральну область широко використовуваною для виявлення газу в атмосфері.

Довгохвильовий інфрачервоний (LWIR) діапазон становить 8-15 мкм.

Далі йде інфрачервоний діапазон (FIR), який коливається від 15 мкм до 1 мм (але є також визначення, починаючи з 50 мкм, див. ISO 20473). Ця спектральна область в основному використовується для тепловізорів.

Ця стаття має на меті обговорити вибір широкосмугових лазерів із регульованою довжиною хвилі з джерелами світла від ближнього до середнього інфрачервоного діапазону, які можуть включати вищевказане короткохвильове інфрачервоне випромінювання (SWIR, IR-B, діапазон від 1,4-3 мкм) і частину середньохвильовий інфрачервоний (MWIR, діапазон 3-8 мкм).

Типове застосування

Типовим застосуванням джерел світла в цьому діапазоні є ідентифікація спектрів лазерного поглинання в слідах газів (наприклад, дистанційне зондування в медичній діагностиці та моніторингу навколишнього середовища). Тут аналіз використовує сильні та характерні смуги поглинання багатьох молекул у середній інфрачервоній області спектру, які служать «молекулярними відбитками». Хоча можна також досліджувати деякі з цих молекул за допомогою ліній пан-поглинання в ближньому інфрачервоному діапазоні, оскільки лазерні джерела ближнього інфрачервоного діапазону легше підготувати, є переваги використання сильних фундаментальних ліній поглинання в середньому інфрачервоному діапазоні з вищою чутливістю. .

У середньому інфрачервоному зображенні також використовуються джерела світла в цьому діапазоні. Люди зазвичай користуються тим фактом, що світло середнього інфрачервоного діапазону може глибше проникати в матеріали та має менше розсіювання. Наприклад, у відповідних програмах для отримання гіперспектральних зображень діапазон від близького до середнього інфрачервоного може надати спектральну інформацію для кожного пікселя (або вокселя).

Завдяки постійному розвитку лазерних джерел середнього інфрачервоного діапазону, таких як волоконний лазер, застосування лазерної обробки неметалевих матеріалів стає все більш практичним. Як правило, люди користуються сильним поглинанням інфрачервоного світла певними матеріалами, такими як полімерні плівки, для вибіркового видалення матеріалів.

Типовим випадком є ​​те, що прозорі провідні плівки з оксиду індію та олова (ITO), які використовуються для електродів в електронних та оптоелектронних пристроях, потребують структурування за допомогою селективної лазерної абляції. Іншим прикладом є точне зняття покриття з оптичних волокон. Рівні потужності, необхідні в цьому діапазоні для таких застосувань, як правило, набагато нижчі, ніж необхідні для таких застосувань, як лазерне різання.

Джерела світла від близького до середнього інфрачервоного діапазону також використовуються військовими для направленої інфрачервоної протидії ракетам з тепловим наведенням. На додаток до більш високої вихідної потужності, придатної для засліплення інфрачервоних камер, також необхідне широке спектральне покриття в атмосферному діапазоні пропускання (приблизно 3-4 мкм і 8-13 мкм), щоб запобігти захисту простих зубчастих фільтрів від захисту інфрачервоних детекторів.

Атмосферне вікно пропускання, описане вище, також можна використовувати для оптичного зв’язку у вільному просторі за допомогою спрямованих променів, і для цієї мети в багатьох додатках використовуються квантові каскадні лазери.

У деяких випадках потрібні ультракороткі імпульси середнього інфрачервоного діапазону. Наприклад, можна використовувати гребінки середньої інфрачервоної частоти в лазерній спектроскопії або використовувати високі пікові інтенсивності ультракоротких імпульсів для генерації. Це може бути згенеровано за допомогою лазера з синхронізованим режимом.

Зокрема, для джерел світла від ближнього інфрачервоного до середнього інфрачервоного діапазону деякі програми мають особливі вимоги до сканування довжин хвиль або можливості налаштування довжини хвилі, і регульовані лазери від ближнього інфрачервоного до середнього інфрачервоного діапазону також відіграють надзвичайно важливу роль у цих застосуваннях.

Наприклад, у спектроскопії регульовані лазери середнього інфрачервоного діапазону є важливими інструментами, чи то для зондування газу, моніторингу навколишнього середовища чи хімічного аналізу. Вчені регулюють довжину хвилі лазера, щоб точно розташувати його в середньому інфрачервоному діапазоні для виявлення специфічних молекулярних ліній поглинання. Таким чином вони можуть отримати детальну інформацію про склад і властивості матерії, як зламати кодову книгу, повну таємниць.

У сфері медичної візуалізації лазери середнього інфрачервоного діапазону також відіграють важливу роль. Вони широко використовуються в неінвазивних технологіях діагностики та візуалізації. Завдяки точному налаштуванню довжини хвилі лазера середнє інфрачервоне світло може проникати в біологічні тканини, створюючи зображення з високою роздільною здатністю. Це важливо для виявлення та діагностики захворювань і відхилень, як магічне світло, що зазирає у внутрішні таємниці людського тіла.

Сфера оборони та безпеки також невіддільна від застосування регульованих лазерів середнього інфрачервоного діапазону. Ці лазери відіграють ключову роль в інфрачервоних засобах протидії, особливо проти ракет з тепловим наведенням. Наприклад, Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) може захистити літаки від відстеження та атак ракет. Швидко регулюючи довжину хвилі лазера, ці системи можуть втручатися в систему наведення ракет, що наближаються, і миттєво змінити хід битви, як чарівний меч, що охороняє небо.

Технологія дистанційного зондування є важливим засобом спостереження та моніторингу Землі, в якому інфрачервоні регульовані лазери відіграють ключову роль. Ці лазери використовуються в таких галузях, як моніторинг навколишнього середовища, дослідження атмосфери та спостереження Землі. Настроювані лазери середнього інфрачервоного діапазону дозволяють вченим вимірювати конкретні лінії поглинання газів в атмосфері, надаючи цінні дані для дослідження клімату, моніторингу забруднення та прогнозування погоди, як чарівне дзеркало, яке відкриває таємниці природи.

У промислових умовах регульовані лазери середнього інфрачервоного діапазону широко використовуються для точної обробки матеріалів. Налаштувавши лазери на довжини хвиль, які сильно поглинаються певними матеріалами, вони забезпечують вибіркову абляцію, різання або зварювання. Це забезпечує точне виробництво в таких сферах, як електроніка, напівпровідники та мікрообробка. Настроюваний лазер середнього інфрачервоного діапазону схожий на тонко відшліфований ніж для різьблення, що дозволяє промисловості вирізати вироби з тонким різьбленням і демонструвати блиск технологій.