Регулируеми лазери от близката до средната инфрачервена област

Различни дефиниции на спектралния диапазон.

Най-общо казано, когато хората говорят за източници на инфрачервена светлина, те имат предвид светлина с вакуумна дължина на вълната, по-голяма от ~700–800 nm (горната граница на видимия диапазон на дължина на вълната).

Конкретната долна граница на дължината на вълната не е ясно дефинирана в това описание, тъй като възприятието на човешкото око за инфрачервеното бавно намалява, вместо да прекъсва при скала.

Например реакцията на светлина при 700 nm към човешкото око вече е много ниска, но ако светлината е достатъчно силна, човешкото око дори може да види светлината, излъчвана от някои лазерни диоди с дължини на вълните над 750 nm, което също прави инфрачервена лазерите представляват риск за безопасността. --Дори и да не е много ярък за човешкото око, действителната му мощност може да е много висока.

По същия начин, подобно на долния граничен обхват на източника на инфрачервена светлина (700~800 nm), обхватът на дефиниране на горната граница на източника на инфрачервена светлина също е несигурен. Най-общо казано е около 1 мм.

Ето някои общи дефиниции на инфрачервената лента:

Близка инфрачервена спектрална област (наричана още IR-A), диапазон ~750-1400 nm.

Лазерите, излъчвани в тази област на дължина на вълната, са предразположени към шум и проблеми с безопасността на човешкото око, тъй като функцията за фокусиране на човешкото око е съвместима с диапазоните на близката инфрачервена и видимата светлина, така че източникът на светлина в близката инфрачервена лента може да бъде предаден и фокусиран към чувствителната ретина по същия начин, но светлината от близката инфрачервена лента не задейства защитния рефлекс на мигане. В резултат на това ретината на човешкото око се уврежда от прекомерна енергия поради нечувствителност. Следователно, когато използвате източници на светлина в тази лента, трябва да се обърне пълно внимание на защитата на очите.

Инфрачервеният диапазон с къса дължина на вълната (SWIR, IR-B) е от 1,4-3 μm.

Тази област е относително безопасна за очите, тъй като тази светлина се абсорбира от окото, преди да достигне до ретината. Например в този регион работят влакнести усилватели, легирани с ербий, използвани в оптичните комуникации.

Средно вълновият инфрачервен диапазон (MWIR) е 3-8 μm.

Атмосферата показва силно поглъщане в части от региона; много атмосферни газове ще имат абсорбционни линии в тази лента, като въглероден диоксид (CO2) и водна пара (H2O). Освен това, тъй като много газове показват силно поглъщане в тази лента. Силните характеристики на поглъщане правят този спектрален регион широко използван за откриване на газ в атмосферата.

Инфрачервеният обхват на дългите вълни (LWIR) е 8-15 μm.

Следва далечната инфрачервена светлина (FIR), която варира от 15 μm-1 mm (но има и определения, започващи от 50 μm, вижте ISO 20473). Тази спектрална област се използва предимно за термични изображения.

Тази статия има за цел да обсъди избора на широколентови лазери с регулируема дължина на вълната с източници на светлина от близки до инфрачервени до средни инфрачервени лъчи, които могат да включват гореспоменатите късовълнови инфрачервени лъчи (SWIR, IR-B, вариращи от 1,4-3 μm) и част от средно вълнов инфрачервен (MWIR, обхватът е 3-8 μm).

Типично приложение

Типично приложение на светлинни източници в тази лента е идентифицирането на лазерни абсорбционни спектри в следи от газове (напр. дистанционно наблюдение при медицинска диагностика и мониторинг на околната среда). Тук анализът се възползва от силните и характерни ленти на поглъщане на много молекули в средната инфрачервена спектрална област, които служат като "молекулни пръстови отпечатъци". Въпреки че могат да се изследват някои от тези молекули чрез пан-абсорбционни линии в близката инфрачервена област, тъй като близките инфрачервени лазерни източници са по-лесни за подготовка, има предимства при използването на силни фундаментални абсорбционни линии в средната инфрачервена област с по-висока чувствителност .

При изображения със средна инфрачервена светлина се използват и източници на светлина в тази лента. Хората обикновено се възползват от факта, че средната инфрачервена светлина може да проникне по-дълбоко в материалите и има по-малко разсейване. Например, в съответните приложения за хиперспектрално изобразяване, близкият инфрачервен до среден инфрачервен диапазон може да осигури спектрална информация за всеки пиксел (или воксел).

Поради непрекъснатото развитие на средни инфрачервени лазерни източници, като лазери с влакна, приложенията за обработка на неметални лазерни материали стават все по-практични. Обикновено хората се възползват от силното поглъщане на инфрачервена светлина от определени материали, като полимерни филми, за селективно отстраняване на материали.

Типичен случай е, че прозрачните проводими филми от индиев калаен оксид (ITO), използвани за електроди в електронни и оптоелектронни устройства, трябва да бъдат структурирани чрез селективна лазерна аблация. Друг пример е прецизното отстраняване на покрития върху оптични влакна. Нивата на мощност, изисквани в тази лента за такива приложения, обикновено са много по-ниски от тези, необходими за приложения като лазерно рязане.

Близки до инфрачервени до средни инфрачервени източници на светлина също се използват от военните за насочени инфрачервени противодействия срещу ракети с топлинно насочване. В допълнение към по-високата изходна мощност, подходяща за заслепяване на инфрачервени камери, широко спектрално покритие в рамките на атмосферната лента на предаване (около 3-4 μm и 8-13 μm) също е необходимо, за да се предотврати защитата на обикновените назъбени филтри от инфрачервените детектори.

Прозорецът за атмосферно предаване, описан по-горе, може също да се използва за оптични комуникации в свободното пространство чрез насочени лъчи, а квантовите каскадни лазери се използват в много приложения за тази цел.

В някои случаи са необходими ултракъси импулси със среден инфрачервен диапазон. Например, може да се използват гребени със средна инфрачервена честота в лазерната спектроскопия или да се използват високите пикови интензитети на ултракъсите импулси за лазерно излъчване. Това може да се генерира с лазер със заключен режим.

По-специално, за източници на светлина от близката инфрачервена до средната инфрачервена светлина, някои приложения имат специални изисквания за сканиране на дължини на вълните или регулируемост на дължината на вълната, а регулируемите лазери от близката до инфрачервената до средната инфрачервена дължина на вълната също играят изключително важна роля в тези приложения.

Например в спектроскопията регулируемите лазери със средна инфрачервена област са основни инструменти, независимо дали при отчитане на газ, мониторинг на околната среда или химичен анализ. Учените регулират дължината на вълната на лазера, за да го позиционират точно в средния инфрачервен диапазон, за да открият специфични молекулни абсорбционни линии. По този начин те могат да получат подробна информация за състава и свойствата на материята, като да разбият кодова книга, пълна с тайни.

В областта на медицинските изображения регулируемите лазери със среден инфрачервен диапазон също играят важна роля. Те се използват широко в неинвазивните диагностични и образни технологии. Чрез прецизно настройване на дължината на вълната на лазера, средната инфрачервена светлина може да проникне в биологичната тъкан, което води до изображения с висока разделителна способност. Това е важно за откриване и диагностициране на заболявания и аномалии, подобно на магическа светлина, надничаща във вътрешните тайни на човешкото тяло.

Областта на отбраната и сигурността също е неделима от приложението на регулируеми лазери със средна инфрачервена област. Тези лазери играят ключова роля в инфрачервените противодействия, особено срещу ракети с топлинно насочване. Например системата за насочено инфрачервено противодействие (DIRCM) може да защити самолетите от проследяване и нападение от ракети. Чрез бързо регулиране на дължината на вълната на лазера, тези системи могат да се намесват в системата за насочване на приближаващите ракети и незабавно да обърнат хода на битката, подобно на магически меч, който пази небето.

Технологията за дистанционно наблюдение е важно средство за наблюдение и мониторинг на земята, в което инфрачервените регулируеми лазери играят ключова роля. Области като мониторинг на околната среда, атмосферни изследвания и наблюдение на Земята разчитат на използването на тези лазери. Средноинфрачервените регулируеми лазери позволяват на учените да измерват специфични линии на поглъщане на газове в атмосферата, предоставяйки ценни данни за подпомагане на изследването на климата, мониторинга на замърсяването и прогнозирането на времето, като вълшебно огледало, което дава представа за мистериите на природата.

В промишлени условия регулируемите лазери със среден инфрачервен диапазон се използват широко за прецизна обработка на материали. Чрез настройване на лазерите към дължини на вълните, които се абсорбират силно от определени материали, те позволяват селективна аблация, рязане или заваряване. Това позволява прецизно производство в области като електроника, полупроводници и микрообработка. Лазерът със средна инфрачервена честота е като фино полиран резбарски нож, който позволява на индустрията да издълбава фино резбовани продукти и да показва блясъка на технологията.