Почему классические длины волн инфракрасного излучения составляют 808, 1064 и 1550 нм?

1. Источник света (лазер)

Основные компоненты А.лазерможно разделить на три части: источник накачки (обеспечивающий энергию для достижения инверсии населенностей в рабочей среде); рабочее тело (имеющее подходящую структуру энергетических уровней, обеспечивающую инверсию населенностей под действием насоса, позволяющую электронам переходить с высоких энергетических уровней на более низкий уровень и выделять энергию в виде фотонов); и резонансная полость.

Свойства рабочей среды определяют длину волны излучаемого лазерного света.

Основной лазер с длиной волны 808 нм является полупроводниковым лазером. Энергия запрещенной зоны полупроводника определяет длину волны излучаемого лазерного света, поэтому длина волны 808 нм является относительно распространенной рабочей длиной волны. Полупроводниковый лазер с длиной волны 808 нм также является одним из самых ранних и наиболее интенсивно исследуемых. Его активная область состоит либо из алюминийсодержащих материалов (например, InAlGaAs), либо из материалов, не содержащих алюминий (например, GaAsP). Этот тип лазера предлагает такие преимущества, как низкая стоимость, высокая эффективность и длительный срок службы.

1064 нм также является классической длиной волны для твердотельных лазеров. Рабочий материал — кристалл YAG (иттрий-алюминиевый гранат Y3AI5012), легированный неодимом (Nd). Ионы алюминия в кристалле YAG синергетически взаимодействуют с катионами, легированными Nd, создавая подходящую пространственную структуру и зонную структуру. Под действием энергии возбуждения катионы Nd переходят в возбужденное состояние, совершая радиоактивные переходы и генерируя лазерную генерацию. Кроме того, кристаллы Nd:YAG обладают превосходной стабильностью и относительно длительным сроком службы.

Лазеры с длиной волны 1550 нм также можно генерировать с использованием полупроводниковых лазеров. Обычно используемые полупроводниковые материалы включают InGaAsP, InGaAsN и InGaAlAs.

2. Использование и применение

Инфракрасный диапазон имеет множество применений, таких как оптическая связь, здравоохранение, биомедицинская визуализация, лазерная обработка и многое другое.

Возьмем, к примеру, оптическую связь. В современной волоконно-оптической связи используется кварцевое волокно. Чтобы гарантировать, что свет может передавать информацию на большие расстояния без потерь, мы должны учитывать, какие длины волн света лучше всего передаются через волокно.

В ближнем инфракрасном диапазоне потери обычного кварцевого волокна уменьшаются с увеличением длины волны, исключая пики примесного поглощения. Существуют три «окна» длин волн с очень низкими потерями: 0,85 мкм, 1,31 мкм и 1,55 мкм. Длина волны излучения лазера источника света и характеристика длины волны фотодиода фотодетектора должны совпадать с этими тремя окнами длин волн. В частности, в лабораторных условиях потери на длине волны 1,55 мкм достигли 0,1419 дБ/км, приближаясь к теоретическому пределу потерь для кварцевого волокна.

Свет в этом диапазоне длин волн относительно хорошо проникает в биологические ткани и находит применение в таких областях, как фототермическая терапия. Например, Юэ и др. сконструировали наночастицы, нацеленные на гепарин-фолат, с использованием цианинового красителя ближнего инфракрасного диапазона IR780, который имеет максимальную длину волны поглощения примерно 780 нм и длину волны излучения 807 нм. При концентрации 10 мг/мл лазерное облучение (лазер 808 нм, плотность мощности 0,6 Вт/см²) в течение 2 минут повышало температуру с 23°С до 42°С. Дозу 1,4 мг/кг вводили мышам с опухолями MCF-7, положительными по рецептору фолиевой кислоты, и опухоли облучали лазерным светом с длиной волны 808 нм (0,8 Вт/см²) в течение 5 минут. В последующие дни наблюдалось значительное уменьшение опухоли.

Другие приложения включают инфракрасный лидар. Текущий диапазон длин волн 905 нм имеет слабые погодные помехи и недостаточно проникает в дождь и туман. Лазерное излучение на длине волны 1,5 мкм попадает в атмосферное окно 1,5–1,8 мкм, что приводит к низкому затуханию в воздухе. Кроме того, длина волны 905 нм попадает в опасный для глаз диапазон, что требует ограничения мощности для минимизации ущерба. Однако длина волны 1550 нм безопасна для глаз, поэтому она также находит применение в лидарах.

В итоге,лазерына этих длинах волн являются зрелыми и экономически эффективными, а также демонстрируют отличные характеристики в различных приложениях. Сочетание этих факторов привело к широкому использованию лазеров на этих длинах волн.