Перестраиваемые лазеры от ближнего до среднего инфракрасного диапазона

Различные определения спектрального диапазона.

Вообще говоря, когда люди говорят об источниках инфракрасного света, они имеют в виду свет с длиной волны в вакууме более ~700–800 нм (верхний предел видимого диапазона длин волн).

Нижний предел конкретной длины волны четко не определен в этом описании, поскольку восприятие инфракрасного излучения человеческим глазом медленно уменьшается, а не прекращается на обрыве.

Например, реакция человеческого глаза на свет с длиной волны 700 нм уже очень низка, но если свет достаточно сильный, человеческий глаз может даже видеть свет, излучаемый некоторыми лазерными диодами с длиной волны, превышающей 750 нм, что также делает инфракрасное излучение лазеры представляют угрозу безопасности. --Даже если он не очень яркий для человеческого глаза, его фактическая мощность может быть очень высокой.

Аналогично, как и нижний предел диапазона источника инфракрасного света (700~800 нм), верхний предел диапазона определения источника инфракрасного света также является неопределенным. Вообще говоря, это около 1 мм.

Вот некоторые общие определения инфракрасного диапазона:

Ближняя инфракрасная область спектра (также называемая IR-A), диапазон ~750–1400 нм.

Лазеры, излучаемые в этом диапазоне длин волн, подвержены шумам и проблемам с безопасностью глаз человека, поскольку функция фокусировки человеческого глаза совместима с ближним инфракрасным и видимым диапазонами света, поэтому источник света ближнего инфракрасного диапазона может передаваться и фокусироваться на объекте. чувствительная сетчатка действует таким же образом, но свет ближнего инфракрасного диапазона не вызывает защитного мигательного рефлекса. В результате сетчатка человеческого глаза повреждается из-за чрезмерной энергии из-за нечувствительности. Поэтому при использовании источников света в этом диапазоне необходимо уделять все внимание защите глаз.

Коротковолновая инфракрасная связь (SWIR, IR-B) находится в диапазоне 1,4–3 мкм.

Эта область относительно безопасна для глаз, поскольку свет поглощается глазом еще до того, как он достигнет сетчатки. Например, в этой области работают волоконные усилители, легированные эрбием, используемые в волоконно-оптической связи.

Средневолновой инфракрасный диапазон (MWIR) составляет 3–8 мкм.

В некоторых частях региона атмосфера демонстрирует сильное поглощение; многие атмосферные газы имеют линии поглощения в этом диапазоне, например, углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O). Также потому, что многие газы демонстрируют сильное поглощение в этой полосе. Характеристики сильного поглощения делают эту спектральную область широко используемой для обнаружения газов в атмосфере.

Длинноволновой инфракрасный диапазон (LWIR) составляет 8–15 мкм.

Далее идет дальний инфракрасный диапазон (FIR), который находится в диапазоне от 15 мкм до 1 мм (но есть определения, начиная с 50 мкм, см. ISO 20473). Эта спектральная область в основном используется для тепловидения.

Целью данной статьи является обсуждение выбора широкополосных лазеров с перестраиваемой длиной волны с источниками света от ближнего до среднего инфракрасного диапазона, которые могут включать в себя вышеуказанные коротковолновые инфракрасные (SWIR, IR-B, в диапазоне от 1,4-3 мкм) и часть средневолновой инфракрасный (MWIR, диапазон 3-8 мкм).

Типичное применение

Типичным применением источников света в этом диапазоне является идентификация спектров лазерного поглощения в малых количествах газов (например, дистанционное зондирование в медицинской диагностике и мониторинге окружающей среды). Здесь анализ использует сильные и характерные полосы поглощения многих молекул в средней инфракрасной области спектра, которые служат «молекулярными отпечатками пальцев». Хотя некоторые из этих молекул можно также изучать с помощью линий пан-поглощения в ближней инфракрасной области, поскольку лазерные источники ближнего инфракрасного диапазона легче приготовить, есть преимущества в использовании сильных линий фундаментального поглощения в средней инфракрасной области с более высокой чувствительностью. .

При визуализации в среднем инфракрасном диапазоне также используются источники света в этом диапазоне. Люди обычно пользуются тем фактом, что свет среднего инфракрасного диапазона может проникать глубже в материалы и меньше рассеиваться. Например, в соответствующих приложениях гиперспектральной визуализации диапазоны от ближнего до среднего инфракрасного диапазона могут предоставлять спектральную информацию для каждого пикселя (или вокселя).

Благодаря продолжающемуся развитию лазерных источников среднего инфракрасного диапазона, таких как волоконные лазеры, применение лазерной обработки неметаллических материалов становится все более практичным. Обычно люди пользуются сильным поглощением инфракрасного света некоторыми материалами, например полимерными пленками, для выборочного удаления материалов.

Типичным случаем является то, что прозрачные проводящие пленки оксида индия и олова (ITO), используемые для электродов в электронных и оптоэлектронных устройствах, необходимо структурировать путем селективной лазерной абляции. Другой пример — точное удаление покрытий с оптических волокон. Уровни мощности, необходимые в этом диапазоне для таких приложений, обычно намного ниже, чем те, которые необходимы для таких приложений, как лазерная резка.

Источники света в диапазоне от ближнего до среднего инфракрасного диапазона также используются военными для направленного инфракрасного противодействия ракетам с тепловым наведением. Помимо более высокой выходной мощности, подходящей для ослепления инфракрасных камер, также требуется широкий спектральный охват в полосе пропускания атмосферы (около 3–4 мкм и 8–13 мкм), чтобы простые зубчатые фильтры не защищали инфракрасные детекторы.

Описанное выше окно пропускания в атмосфере также можно использовать для оптической связи в свободном пространстве посредством направленных лучей, и для этой цели во многих приложениях используются квантовые каскадные лазеры.

В некоторых случаях требуются ультракороткие импульсы среднего инфракрасного диапазона. Например, можно использовать гребенки средних инфракрасных частот в лазерной спектроскопии или использовать высокие пиковые интенсивности ультракоротких импульсов для лазерной генерации. Это можно сделать с помощью лазера с синхронизацией мод.

В частности, для источников света от ближнего до среднего инфракрасного диапазона в некоторых приложениях предъявляются особые требования к длинам волн сканирования или перестройке длины волны, и лазеры с перестраиваемой длиной волны от ближнего до среднего инфракрасного диапазона также играют чрезвычайно важную роль в этих приложениях.

Например, в спектроскопии перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона являются важными инструментами, будь то измерение газа, мониторинг окружающей среды или химический анализ. Ученые регулируют длину волны лазера, чтобы точно расположить его в среднем инфракрасном диапазоне, чтобы обнаружить определенные линии молекулярного поглощения. Таким образом они смогут получить подробную информацию о составе и свойствах материи, словно взломав кодовую книгу, полную тайн.

В области медицинской визуализации важную роль также играют перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона. Они широко используются в неинвазивных диагностических и визуализирующих технологиях. Благодаря точной настройке длины волны лазера, свет среднего инфракрасного диапазона может проникать в биологические ткани, что приводит к получению изображений с высоким разрешением. Это важно для обнаружения и диагностики заболеваний и отклонений, подобно волшебному свету, вглядывающемуся во внутренние тайны человеческого организма.

Область обороны и безопасности также неотделима от применения перестраиваемых лазеров среднего инфракрасного диапазона. Эти лазеры играют ключевую роль в инфракрасном противодействии, особенно против ракет с тепловым наведением. Например, система направленного инфракрасного противодействия (DIRCM) может защитить самолет от слежения и нападения ракет. Быстро регулируя длину волны лазера, эти системы могут вмешиваться в систему наведения приближающихся ракет и мгновенно переломить ход боя, подобно волшебному мечу, охраняющему небо.

Технология дистанционного зондирования является важным средством наблюдения и мониторинга Земли, в котором ключевую роль играют инфракрасные перестраиваемые лазеры. Такие области, как мониторинг окружающей среды, исследования атмосферы и наблюдение Земли, основаны на использовании этих лазеров. Перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона позволяют ученым измерять определенные линии поглощения газов в атмосфере, предоставляя ценные данные для исследования климата, мониторинга загрязнения и прогнозирования погоды, подобно волшебному зеркалу, которое дает представление о тайнах природы.

В промышленных условиях перестраиваемые лазеры среднего инфракрасного диапазона широко используются для точной обработки материалов. Настраивая лазеры на длины волн, которые сильно поглощаются определенными материалами, они позволяют осуществлять избирательную абляцию, резку или сварку. Это обеспечивает прецизионное производство в таких областях, как электроника, полупроводники и микрообработка. Перестраиваемый лазер среднего инфракрасного диапазона подобен тонко отполированному разделочному ножу, позволяющему вырезать изделия с тонкой резьбой и демонстрировать великолепие технологий.