Lähi-infrapuna kuni keskmise infrapunaga häälestatavad laserid

Erinevad spektrivahemiku määratlused.

Üldiselt mõeldakse infrapuna valgusallikatest rääkides valgust, mille vaakumi lainepikkus on suurem kui ~700–800 nm (nähtava lainepikkuse vahemiku ülempiir).

Konkreetse lainepikkuse alumine piir ei ole selles kirjelduses selgelt määratletud, kuna inimsilma infrapuna taju pigem väheneb kui kaljul katkeb.

Näiteks 700 nm juures oleva valguse reaktsioon inimsilmale on juba väga madal, kuid kui valgus on piisavalt tugev, näeb inimsilm isegi mõne laserdioodi poolt kiiratavat valgust lainepikkusega üle 750 nm, mis teeb ka infrapuna. laserid on ohutusrisk. --Isegi kui see pole inimsilmale väga hele, võib selle tegelik võimsus olla väga suur.

Sarnaselt infrapuna valgusallika alumisele piirile (700–800 nm), on ka infrapuna valgusallika ülempiiri määratlusvahemik ebakindel. Üldiselt on see umbes 1 mm.

Siin on mõned infrapunariba levinud määratlused:

Lähis-infrapunaspektri piirkond (nimetatakse ka IR-A), ulatus ~750-1400 nm.

Selles lainepikkuse piirkonnas kiiratavad laserid on altid müra ja inimsilma ohutusega seotud probleemidele, kuna inimsilma teravustamisfunktsioon ühildub lähi-infrapuna- ja nähtava valguse vahemikega, nii et lähi-infrapunariba valgusallikat saab edastada ja teravustada tundlik võrkkesta samamoodi, kuid lähi-infrapunariba valgus Ei käivita kaitsvat vilkumise refleksi. Selle tulemusena kahjustab inimese silma võrkkesta tundlikkuse puudumise tõttu liigne energia. Seetõttu tuleb selles ribas valgusallikate kasutamisel pöörata täit tähelepanu silmade kaitsele.

Lühikese lainepikkuse infrapuna (SWIR, IR-B) vahemik on 1,4-3 μm.

See piirkond on silmadele suhteliselt ohutu, sest see valgus neeldub silm enne võrkkesta jõudmist. Näiteks töötavad selles piirkonnas fiiberoptilises sides kasutatavad erbiumiga legeeritud fiiberoptilised võimendid.

Kesklaine infrapuna (MWIR) ulatus on 3-8 μm.

Atmosfäär näitab piirkonna osades tugevat neeldumist; paljudel atmosfäärigaasidel, nagu süsinikdioksiid (CO2) ja veeaur (H2O), on selles ribas neeldumisjooned. Samuti seetõttu, et paljudel gaasidel on selles ribas tugev neeldumine. Tugevad neeldumisomadused muudavad selle spektripiirkonna laialdaselt kasutatavaks gaasi tuvastamiseks atmosfääris.

Pikalaine infrapuna (LWIR) ulatus on 8-15 μm.

Järgmine on kaug-infrapuna (FIR), mis jääb vahemikku 15 μm–1 mm (kuid on ka määratlusi alates 50 μm, vt ISO 20473). Seda spektripiirkonda kasutatakse peamiselt termopildistamiseks.

Selle artikli eesmärk on arutada lairiba häälestatava lainepikkusega laserite valikut lähi-infrapuna kuni keskmise infrapunakiirgusega valgusallikatega, mis võivad hõlmata ülaltoodud lühikese lainepikkusega infrapunakiirgust (SWIR, IR-B, vahemikus 1,4–3 μm) ja osa valgusallikatest. kesklaine infrapuna (MWIR, ulatus on 3-8 μm).

Tüüpiline rakendus

Valgusallikate tüüpiline rakendus selles sagedusalas on laseri neeldumisspektrite tuvastamine jälggaasides (nt kaugseire meditsiinilises diagnostikas ja keskkonnaseires). Siin kasutab analüüs ära paljude keskmise infrapuna spektripiirkonna molekulide tugevaid ja iseloomulikke neeldumisribasid, mis toimivad "molekulaarsete sõrmejälgedena". Ehkki mõnda neist molekulidest saab uurida ka infrapunapiirkonna pan-absorptsioonijoonte kaudu, kuna lähi-infrapuna laseriallikaid on lihtsam valmistada, on tugevate põhineeldumisjoonte kasutamisel keskmises infrapunapiirkonnas eeliseid, mis on suurema tundlikkusega. .

Keskmise infrapuna pildistamisel kasutatakse ka selle sagedusala valgusallikaid. Inimesed kasutavad tavaliselt ära asjaolu, et keskmine infrapunavalgus võib tungida materjalidesse sügavamale ja sellel on vähem hajumist. Näiteks vastavates hüperspektraalsetes pilditöötlusrakendustes võib lähi-infrapuna kuni keskmine infrapuna anda spektriteavet iga piksli (või voksli) kohta.

Keskmise infrapuna laseriallikate (nt kiudlaserid) jätkuva arendamise tõttu muutuvad mittemetalliliste lasermaterjalide töötlemise rakendused üha praktilisemaks. Tavaliselt kasutavad inimesed materjalide valikuliseks eemaldamiseks ära infrapunavalguse tugevat neeldumist teatud materjalide, näiteks polümeerkilede poolt.

Tüüpiline juhtum on see, et elektrooniliste ja optoelektrooniliste seadmete elektroodide jaoks kasutatavad indiumtinaoksiidi (ITO) läbipaistvad juhtivad kiled tuleb struktureerida selektiivse laserablatsiooniga. Teine näide on optiliste kiudude katete täpne eemaldamine. Sellel ribal selliste rakenduste jaoks nõutavad võimsustasemed on tavaliselt palju madalamad kui selliste rakenduste jaoks nagu laserlõikamine.

Lähi-infrapuna kuni keskmise infrapuna valgusallikaid kasutab sõjavägi ka suunatud infrapuna vastumeetmeteks soojust otsivate rakettide vastu. Lisaks infrapunakaamerate pimestamiseks sobivale suuremale väljundvõimsusele on vajalik ka lai spektraalne katvus atmosfääri edastusribas (umbes 3–4 μm ja 8–13 μm), et lihtsad sälgulised filtrid ei kaitseks infrapunadetektoreid.

Ülalkirjeldatud atmosfääri ülekandeakent saab kasutada ka vaba ruumi optiliseks sideks suunakiirte kaudu ning selleks kasutatakse paljudes rakendustes kvantkaskaadlasereid.

Mõnel juhul on vaja keskmise infrapuna ultralühikesi impulsse. Näiteks võib laserspektroskoopias kasutada keskmise infrapuna sagedusega kamme või kasutada laseri jaoks ülilühikeste impulsside kõrgeid tippintensiivsusi. Seda saab genereerida režiimilukuga laseriga.

Eelkõige on infrapuna- ja keskmise infrapunakiirguse valgusallikate puhul mõnel rakendusel erinõuded lainepikkuste skaneerimise või lainepikkuse häälestatavuse osas ning neis rakendustes on äärmiselt oluline roll ka lähi-infrapuna- kuni keskmise infrapuna-lainepikkusega häälestatavatel laseritel.

Näiteks spektroskoopias on kesk-infrapuna häälestatavad laserid olulised tööriistad, olgu siis gaasianduris, keskkonnaseires või keemilises analüüsis. Teadlased reguleerivad laseri lainepikkust, et täpselt positsioneerida see keskmises infrapunavahemikus, et tuvastada konkreetseid molekulaarseid neeldumisjooni. Sel viisil saavad nad üksikasjalikku teavet aine koostise ja omaduste kohta, näiteks murda lahti saladusi täis koodiraamatu.

Meditsiinilise pildistamise valdkonnas mängivad olulist rolli ka keskmise infrapunaga häälestatavad laserid. Neid kasutatakse laialdaselt mitteinvasiivsetes diagnostika- ja pilditehnoloogiates. Laseri lainepikkuse täpse häälestamise teel võib keskmine infrapunavalgus tungida läbi bioloogilise koe, mille tulemuseks on kõrge eraldusvõimega kujutised. See on oluline haiguste ja kõrvalekallete avastamiseks ja diagnoosimiseks, nagu maagiline valgus, mis piilub inimkeha sisemistesse saladustesse.

Kaitse- ja julgeolekuvaldkond on lahutamatu ka keskmise infrapuna-häälestusega laserite rakendamisest. Need laserid mängivad võtmerolli infrapuna vastumeetmetes, eriti soojust otsivate rakettide vastu. Näiteks DIRCM (Directional Infrared Countermeasures System) suudab kaitsta õhusõidukeid rakettide jälitamise ja rünnakute eest. Laseri lainepikkust kiirelt reguleerides võivad need süsteemid sekkuda sissetulevate rakettide juhtimissüsteemi ja koheselt lahingu tõusulaine pöörata, nagu taevast valvav võlumõõk.

Kaugseiretehnoloogia on oluline maa vaatlemise ja jälgimise vahend, milles võtmerolli mängivad infrapuna häälestatavad laserid. Sellised valdkonnad nagu keskkonnaseire, atmosfääriuuringud ja Maa vaatlus sõltuvad kõik nende laserite kasutamisest. Keskmise infrapuna häälestatavad laserid võimaldavad teadlastel mõõta gaaside spetsiifilisi neeldumisjooni atmosfääris, pakkudes väärtuslikke andmeid, mis aitavad kliimauuringutel, reostuse jälgimisel ja ilmaennustamisel, nagu võlupeegel, mis annab ülevaate looduse saladustest.

Tööstuslikes seadetes kasutatakse täppismaterjalide töötlemiseks laialdaselt keskmise infrapunaga häälestatavaid lasereid. Häälestades laserid lainepikkustele, mida teatud materjalid tugevalt neelavad, võimaldavad need selektiivset ablatsiooni, lõikamist või keevitamist. See võimaldab täppistootmist sellistes valdkondades nagu elektroonika, pooljuhid ja mikrotöötlus. Keskmise infrapuna häälestatav laser on nagu peeneks poleeritud nikerdusnuga, mis võimaldab tööstusel nikerdada peenelt nikerdatud tooteid ja näidata tehnoloogia sära.