Συντονίσιμα λέιζερ εγγύς υπέρυθρες έως μεσαίες υπέρυθρες

Διαφορετικοί ορισμοί φασματικού εύρους.

Σε γενικές γραμμές, όταν οι άνθρωποι μιλούν για πηγές υπέρυθρου φωτός, αναφέρονται σε φως με μήκη κύματος κενού μεγαλύτερα από ~700–800 nm (το ανώτερο όριο της περιοχής ορατού μήκους κύματος).

Το κατώτερο όριο του συγκεκριμένου μήκους κύματος δεν ορίζεται με σαφήνεια σε αυτήν την περιγραφή επειδή η αντίληψη του ανθρώπινου ματιού για το υπέρυθρο μειώνεται αργά αντί να αποκόπτεται σε έναν γκρεμό.

Για παράδειγμα, η απόκριση του φωτός στα 700 nm στο ανθρώπινο μάτι είναι ήδη πολύ χαμηλή, αλλά εάν το φως είναι αρκετά ισχυρό, το ανθρώπινο μάτι μπορεί να δει ακόμη και το φως που εκπέμπεται από μερικές διόδους λέιζερ με μήκη κύματος άνω των 750 nm, το οποίο επίσης κάνει υπέρυθρες Τα λέιζερ αποτελούν κίνδυνο για την ασφάλεια. --Ακόμα κι αν δεν είναι πολύ φωτεινό στο ανθρώπινο μάτι, η πραγματική του δύναμη μπορεί να είναι πολύ υψηλή.

Ομοίως, όπως το εύρος κατώτερου ορίου της πηγής υπέρυθρου φωτός (700~800 nm), το εύρος ορισμού ανώτερου ορίου της πηγής υπέρυθρου φωτός είναι επίσης αβέβαιο. Σε γενικές γραμμές, είναι περίπου 1 mm.

Ακολουθούν ορισμένοι κοινοί ορισμοί της ζώνης υπερύθρων:

Φασματική περιοχή κοντά στο υπέρυθρο (ονομάζεται επίσης IR-A), εύρος ~750-1400 nm.

Τα λέιζερ που εκπέμπονται σε αυτήν την περιοχή μήκους κύματος είναι επιρρεπή σε θόρυβο και σε ζητήματα ασφάλειας των ανθρώπινων ματιών, επειδή η λειτουργία εστίασης του ανθρώπινου ματιού είναι συμβατή με το εύρος φωτός κοντά στο υπέρυθρο και το ορατό, έτσι ώστε η πηγή φωτός κοντά στο υπέρυθρο να μπορεί να μεταδοθεί και να εστιαστεί στο ευαίσθητος αμφιβληστροειδής με τον ίδιο τρόπο, αλλά το φως της ζώνης κοντά στο υπέρυθρο Δεν ενεργοποιεί το προστατευτικό αντανακλαστικό βλεφαρίσματος. Ως αποτέλεσμα, ο αμφιβληστροειδής χιτώνας του ανθρώπινου ματιού καταστρέφεται από υπερβολική ενέργεια λόγω αναισθησίας. Επομένως, όταν χρησιμοποιείτε πηγές φωτός σε αυτή τη ζώνη, πρέπει να δίνεται πλήρης προσοχή στην προστασία των ματιών.

Μικρού μήκους κύματος υπέρυθρες (SWIR, IR-B) εύρος από 1,4-3 μm.

Αυτή η περιοχή είναι σχετικά ασφαλής για τα μάτια γιατί αυτό το φως απορροφάται από το μάτι πριν φτάσει στον αμφιβληστροειδή. Για παράδειγμα, σε αυτήν την περιοχή λειτουργούν ενισχυτές ινών με πρόσμειξη ερβίου που χρησιμοποιούνται σε επικοινωνίες οπτικών ινών.

Το εύρος υπέρυθρων μεσαίων κυμάτων (MWIR) είναι 3-8 μm.

Η ατμόσφαιρα παρουσιάζει ισχυρή απορρόφηση σε μέρη της περιοχής. Πολλά ατμοσφαιρικά αέρια θα έχουν γραμμές απορρόφησης σε αυτή τη ζώνη, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και οι υδρατμοί (H2O). Επίσης επειδή πολλά αέρια παρουσιάζουν ισχυρή απορρόφηση σε αυτή τη ζώνη Τα ισχυρά χαρακτηριστικά απορρόφησης κάνουν αυτήν τη φασματική περιοχή να χρησιμοποιείται ευρέως για την ανίχνευση αερίων στην ατμόσφαιρα.

Το εύρος υπερύθρων μεγάλων κυμάτων (LWIR) είναι 8-15 μm.

Επόμενο είναι το μακρινό υπέρυθρο (FIR), το οποίο κυμαίνεται από 15 μm-1 mm (αλλά υπάρχουν και ορισμοί που ξεκινούν από 50 μm, βλέπε ISO 20473). Αυτή η φασματική περιοχή χρησιμοποιείται κυρίως για θερμική απεικόνιση.

Αυτό το άρθρο στοχεύει να συζητήσει την επιλογή ευρυζωνικών συντονισμένων λέιζερ μήκους κύματος με πηγές φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο, που μπορεί να περιλαμβάνει το παραπάνω υπέρυθρο μικρού μήκους κύματος (SWIR, IR-B, που κυμαίνεται από 1,4-3 μm) και μέρος του υπέρυθρο μεσαίου κύματος (MWIR, η εμβέλεια είναι 3-8 μm).

Τυπική εφαρμογή

Μια τυπική εφαρμογή των πηγών φωτός σε αυτή τη ζώνη είναι η αναγνώριση των φασμάτων απορρόφησης λέιζερ σε αέρια ίχνης (π.χ. τηλεπισκόπηση στην ιατρική διάγνωση και περιβαλλοντική παρακολούθηση). Εδώ, η ανάλυση εκμεταλλεύεται τις ισχυρές και χαρακτηριστικές ζώνες απορρόφησης πολλών μορίων στη φασματική περιοχή του μέσου υπέρυθρου, οι οποίες χρησιμεύουν ως «μοριακά δακτυλικά αποτυπώματα». Αν και κάποιος μπορεί επίσης να μελετήσει μερικά από αυτά τα μόρια μέσω γραμμών παν-απορρόφησης στην περιοχή εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία, καθώς οι πηγές λέιζερ εγγύς υπέρυθρες προετοιμάζονται ευκολότερα, υπάρχουν πλεονεκτήματα στη χρήση ισχυρών θεμελιωδών γραμμών απορρόφησης στην περιοχή μεσαίου υπέρυθρου με υψηλότερη ευαισθησία .

Στην απεικόνιση μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας, χρησιμοποιούνται επίσης πηγές φωτός σε αυτή τη ζώνη. Οι άνθρωποι συνήθως εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι το μεσαίο υπέρυθρο φως μπορεί να διεισδύσει βαθύτερα στα υλικά και έχει λιγότερη σκέδαση. Για παράδειγμα, σε αντίστοιχες εφαρμογές υπερφασματικής απεικόνισης, το εγγύς υπέρυθρο έως το μεσαίο υπέρυθρο μπορεί να παρέχει φασματικές πληροφορίες για κάθε pixel (ή voxel).

Λόγω της συνεχούς ανάπτυξης πηγών λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου, όπως τα λέιζερ ινών, οι εφαρμογές επεξεργασίας μη μεταλλικών υλικών λέιζερ γίνονται όλο και πιο πρακτικές. Συνήθως, οι άνθρωποι εκμεταλλεύονται την ισχυρή απορρόφηση του υπέρυθρου φωτός από ορισμένα υλικά, όπως τα πολυμερή φιλμ, για να αφαιρέσουν επιλεκτικά υλικά.

Μια τυπική περίπτωση είναι ότι τα διαφανή αγώγιμα φιλμ οξειδίου του κασσιτέρου του ινδίου (ITO) που χρησιμοποιούνται για ηλεκτρόδια σε ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να δομηθούν με επιλεκτική αφαίρεση με λέιζερ. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η ακριβής απογύμνωση των επικαλύψεων σε οπτικές ίνες. Τα επίπεδα ισχύος που απαιτούνται σε αυτή τη ζώνη για τέτοιες εφαρμογές είναι συνήθως πολύ χαμηλότερα από αυτά που απαιτούνται για εφαρμογές όπως η κοπή με λέιζερ.

Πηγές φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο χρησιμοποιούνται επίσης από τον στρατό για κατευθυντικά υπέρυθρα αντίμετρα έναντι πυραύλων που αναζητούν θερμότητα. Εκτός από την υψηλότερη ισχύ εξόδου κατάλληλη για εκτυφλωτικές κάμερες υπερύθρων, απαιτείται επίσης ευρεία φασματική κάλυψη εντός της ζώνης ατμοσφαιρικής μετάδοσης (περίπου 3-4 μm και 8-13 μm) για να αποτραπεί η προστασία των ανιχνευτών υπερύθρων από απλά φίλτρα με εγκοπή.

Το παράθυρο ατμοσφαιρικής μετάδοσης που περιγράφεται παραπάνω μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για οπτικές επικοινωνίες ελεύθερου χώρου μέσω κατευθυντικών ακτίνων και τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές για το σκοπό αυτό.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτούνται υπερμικροί παλμοί μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να χρησιμοποιήσει χτένες μεσαίας υπέρυθρης συχνότητας στη φασματοσκοπία λέιζερ ή να εκμεταλλευτεί τις υψηλές εντάσεις αιχμής των υπερμικρών παλμών για λέιζινγκ. Αυτό μπορεί να δημιουργηθεί με ένα λέιζερ κλειδωμένο με λειτουργία.

Ειδικότερα, για πηγές φωτός κοντά στο υπέρυθρο έως μεσαίο υπέρυθρο, ορισμένες εφαρμογές έχουν ειδικές απαιτήσεις για σάρωση μήκους κύματος ή δυνατότητα συντονισμού μήκους κύματος και τα λέιζερ συντονισμού μήκους κύματος κοντά σε υπέρυθρες έως μεσαίες υπέρυθρες παίζουν επίσης εξαιρετικά σημαντικό ρόλο σε αυτές τις εφαρμογές.

Για παράδειγμα, στη φασματοσκοπία, τα συντονιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι απαραίτητα εργαλεία, είτε για την ανίχνευση αερίων, την περιβαλλοντική παρακολούθηση ή τη χημική ανάλυση. Οι επιστήμονες προσαρμόζουν το μήκος κύματος του λέιζερ για να το τοποθετήσουν με ακρίβεια στο εύρος του μεσαίου υπέρυθρου για να ανιχνεύσουν συγκεκριμένες γραμμές μοριακής απορρόφησης. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να λάβουν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση και τις ιδιότητες της ύλης, όπως να σπάσουν ένα βιβλίο κωδικών γεμάτο μυστικά.

Στον τομέα της ιατρικής απεικόνισης, σημαντικό ρόλο διαδραματίζουν και τα συντονιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε μη επεμβατικές τεχνολογίες διάγνωσης και απεικόνισης. Με τον ακριβή συντονισμό του μήκους κύματος του λέιζερ, το μεσαίο υπέρυθρο φως μπορεί να διεισδύσει στον βιολογικό ιστό, με αποτέλεσμα εικόνες υψηλής ανάλυσης. Αυτό είναι σημαντικό για τον εντοπισμό και τη διάγνωση ασθενειών και ανωμαλιών, όπως ένα μαγικό φως που κοιτάζει στα εσωτερικά μυστικά του ανθρώπινου σώματος.

Ο τομέας της άμυνας και της ασφάλειας είναι επίσης αδιαχώριστος από την εφαρμογή συντονισμένων λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αυτά τα λέιζερ παίζουν βασικό ρόλο στα υπέρυθρα αντίμετρα, ειδικά κατά των πυραύλων που αναζητούν θερμότητα. Για παράδειγμα, το Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) μπορεί να προστατεύσει τα αεροσκάφη από την παρακολούθηση και την επίθεση από πυραύλους. Ρυθμίζοντας γρήγορα το μήκος κύματος του λέιζερ, αυτά τα συστήματα μπορούν να παρεμβαίνουν στο σύστημα καθοδήγησης των εισερχόμενων πυραύλων και να ανατρέψουν αμέσως την παλίρροια της μάχης, σαν ένα μαγικό σπαθί που φυλάει τον ουρανό.

Η τεχνολογία τηλεπισκόπησης είναι ένα σημαντικό μέσο παρατήρησης και παρακολούθησης της γης, στο οποίο τα συντονίσιμα λέιζερ υπερύθρων παίζουν βασικό ρόλο. Τομείς όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντος, η ατμοσφαιρική έρευνα και η παρατήρηση της Γης βασίζονται στη χρήση αυτών των λέιζερ. Τα ρυθμιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας επιτρέπουν στους επιστήμονες να μετρούν συγκεκριμένες γραμμές απορρόφησης αερίων στην ατμόσφαιρα, παρέχοντας πολύτιμα δεδομένα για να βοηθήσουν την κλιματική έρευνα, την παρακολούθηση της ρύπανσης και την πρόβλεψη καιρού, σαν μαγικός καθρέφτης που παρέχει πληροφορίες για τα μυστήρια της φύσης.

Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, τα συντονιζόμενα λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται ευρέως για την επεξεργασία υλικών ακριβείας. Συντονίζοντας τα λέιζερ σε μήκη κύματος που απορροφώνται έντονα από ορισμένα υλικά, επιτρέπουν την επιλεκτική αφαίρεση, την κοπή ή τη συγκόλληση. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή ακριβείας σε τομείς όπως τα ηλεκτρονικά, οι ημιαγωγοί και η μικρομηχανική. Το συντονιζόμενο λέιζερ μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι σαν ένα λεπτώς γυαλισμένο μαχαίρι σκαλίσματος, επιτρέποντας στη βιομηχανία να χαράξει λεπτώς σκαλισμένα προϊόντα και να δείξει τη λαμπρότητα της τεχνολογίας.