Чому класичні інфрачервоні довжини хвиль 808 нм, 1064 нм і 1550 нм?

1. Джерело світла (лазер)

Основні компоненти aлазерможна розділити на три частини: джерело насоса (який дає енергію для досягнення інверсії населеності в робочому середовищі); робоче середовище (має відповідну структуру енергетичного рівня, що забезпечує інверсію заселеності під дією насоса, дозволяючи електронам переходити з високих енергетичних рівнів на нижчий рівень і вивільняти енергію у формі фотонів); і резонансна порожнина.

Властивості робочого середовища визначають довжину хвилі випромінюваного лазерного світла.

Основним лазером з довжиною хвилі 808 нм є напівпровідниковий лазер. Енергія забороненої зони напівпровідника визначає довжину хвилі випромінюваного лазерного світла, що робить 808 нм відносно загальною робочою довжиною хвилі. Напівпровідниковий лазер типу 808 нм також є одним із найперших і найбільш інтенсивно досліджених. Його активна область складається або з матеріалів, що містять алюміній (таких як InAlGaAs), або матеріалів, що не містять алюмінію (таких як GaAsP). Цей тип лазера має такі переваги, як низька вартість, висока ефективність і тривалий термін служби.

1064 нм також є класичною довжиною хвилі для твердотільних лазерів. Робочий матеріал — легований неодимом (Nd) кристал YAG (ітрій-алюмінієвий гранат Y3AI5012). Іони алюмінію в кристалі YAG синергетично взаємодіють з катіонами, легованими Nd, створюючи відповідну просторову структуру та структуру енергетичної зони. Під дією енергії збудження катіони Nd переходять у збуджений стан, зазнаючи радіоактивних переходів і генерації генерації. Крім того, кристали Nd:YAG забезпечують відмінну стабільність і відносно тривалий термін служби.

Лазери 1550 нм також можна генерувати за допомогою напівпровідникових лазерів. Зазвичай використовувані напівпровідникові матеріали включають InGaAsP, InGaAsN і InGaAlAs.

2. Використання та застосування

Інфрачервоний діапазон має численні застосування, такі як оптичний зв’язок, охорона здоров’я, біомедична візуалізація, лазерна обробка тощо.

Візьмемо як приклад оптичний зв'язок. Сучасний волоконно-оптичний зв'язок використовує кварцове волокно. Щоб переконатися, що світло може передавати інформацію на великі відстані без втрат, ми повинні розглянути, які довжини хвилі світла найкраще пропускаються через волокно.

У ближньому інфрачервоному діапазоні втрати звичайного кварцового волокна зменшуються зі збільшенням довжини хвилі, за винятком піків поглинання домішок. Три «вікна» довжини хвилі з дуже низькими втратами існують на 0,85 мкм, 1,31 мкм і 1,55 мкм. Довжина хвилі випромінювання лазера джерела світла та характеристика довжини хвилі фотодіода фотодетектора повинні узгоджуватися з цими трьома вікнами довжин хвиль. Зокрема, в лабораторних умовах втрати на 1,55 мкм досягли 0,1419 дБ/км, наближаючись до теоретичної межі втрат для кварцового волокна.

Світло в цьому діапазоні довжин хвиль може відносно добре проникати крізь біологічну тканину та має застосування в таких сферах, як фототерапія. Наприклад, Yue et al. сконструював наночастинки, націлені на гепарин-фолат, використовуючи ціаніновий ближній інфрачервоний барвник IR780, який має максимальну довжину хвилі поглинання приблизно 780 нм і довжину хвилі випромінювання 807 нм. При концентрації 10 мг/мл лазерне опромінення (лазер 808 нм, щільність потужності 0,6 Вт/см²) протягом 2 хвилин підвищувало температуру з 23°C до 42°C. Дозу 1,4 мг/кг вводили мишам з пухлинами MCF-7, позитивними на фолієвий рецептор, і пухлини опромінювали лазерним світлом 808 нм (0,8 Вт/см²) протягом 5 хвилин. Протягом наступних днів спостерігалося значне зменшення пухлини.

Інші програми включають інфрачервоний лідар. Поточний діапазон довжини хвилі 905 нм має слабку здатність до погодних перешкод і недостатнє проникнення в дощ і туман. Лазерне випромінювання на 1,5 мкм потрапляє в атмосферне вікно 1,5–1,8 мкм, що призводить до низького ослаблення в повітрі. Крім того, 905 нм потрапляє в небезпечний для очей діапазон, що вимагає обмеження потужності, щоб мінімізувати пошкодження. Однак 1550 нм є безпечним для очей, тому він також знаходить застосування в лідарі.

Підсумовуючи,лазерина цих довжинах хвиль є і зрілими, і економічно ефективними, і вони демонструють чудову продуктивність у різних застосуваннях. Ці фактори разом призвели до широкого використання лазерів із цими довжинами хвиль.