Near-infrared hanggang mid-infrared tunable lasers

Iba't ibang kahulugan ng spectral range.

Sa pangkalahatan, kapag pinag-uusapan ng mga tao ang tungkol sa mga infrared na pinagmumulan ng liwanag, ang tinutukoy nila ay liwanag na may mga vacuum na wavelength na higit sa ~700–800 nm (ang pinakamataas na limitasyon ng nakikitang hanay ng wavelength).

Ang partikular na wavelength na mas mababang limitasyon ay hindi malinaw na tinukoy sa paglalarawang ito dahil ang pang-unawa ng mata ng tao sa infrared ay dahan-dahang bumababa sa halip na maputol sa isang talampas.

Halimbawa, ang tugon ng liwanag sa 700 nm sa mata ng tao ay napakababa na, ngunit kung sapat na ang lakas ng ilaw, makikita pa nga ng mata ng tao ang ilaw na ibinubuga ng ilang laser diode na may mga wavelength na lumalampas sa 750 nm, na gumagawa din ng infrared. Ang mga laser ay isang panganib sa kaligtasan. --Kahit na ito ay hindi masyadong maliwanag sa mata ng tao, ang aktwal na kapangyarihan nito ay maaaring napakataas.

Katulad nito, tulad ng lower limit range ng infrared light source (700~800 nm), hindi rin sigurado ang upper limit definition range ng infrared light source. Sa pangkalahatan, ito ay tungkol sa 1 mm.

Narito ang ilang karaniwang kahulugan ng infrared band:

Near-infrared spectral region (tinatawag ding IR-A), range ~750-1400 nm.

Ang mga laser na ibinubuga sa rehiyon ng wavelength na ito ay madaling kapitan ng ingay at mga isyu sa kaligtasan sa mata ng tao, dahil ang function ng pagtutok ng mata ng tao ay tugma sa malapit-infrared at nakikitang mga hanay ng liwanag, upang ang malapit-infrared band na pinagmumulan ng liwanag ay maaaring mailipat at tumutok sa sensitibong retina sa parehong paraan, ngunit ang malapit-infrared na ilaw ng banda ay hindi nagpapalitaw ng proteksiyon na blink reflex. Bilang resulta, ang retina ng mata ng tao ay nasira ng labis na enerhiya dahil sa kawalan ng pakiramdam. Samakatuwid, kapag gumagamit ng mga ilaw na mapagkukunan sa banda na ito, ang buong atensyon ay dapat bayaran sa proteksyon sa mata.

Ang maikling wavelength infrared (SWIR, IR-B) ay mula sa 1.4-3 μm.

Ang lugar na ito ay medyo ligtas para sa mga mata dahil ang liwanag na ito ay sinisipsip ng mata bago ito umabot sa retina. Halimbawa, ang mga erbium-doped fiber amplifier na ginagamit sa fiber optic na komunikasyon ay gumagana sa rehiyong ito.

Ang mid-wave infrared (MWIR) range ay 3-8 μm.

Ang kapaligiran ay nagpapakita ng malakas na pagsipsip sa mga bahagi ng rehiyon; maraming atmospheric gases ang magkakaroon ng absorption lines sa banda na ito, gaya ng carbon dioxide (CO2) at water vapor (H2O). Dahil din sa maraming mga gas na nagpapakita ng malakas na pagsipsip sa banda na ito Dahil sa malakas na katangian ng pagsipsip, ang spectral na rehiyon na ito ay malawakang ginagamit para sa pagtuklas ng gas sa atmospera.

Ang hanay ng long wave infrared (LWIR) ay 8-15 μm.

Ang susunod ay malayong infrared (FIR), na umaabot sa 15 μm-1 mm (ngunit mayroon ding mga kahulugan na nagsisimula sa 50 μm, tingnan ang ISO 20473). Ang spectral na rehiyon na ito ay pangunahing ginagamit para sa thermal imaging.

Nilalayon ng artikulong ito na talakayin ang pagpili ng mga broadband tunable wavelength laser na may malapit-infrared hanggang mid-infrared na pinagmumulan ng liwanag, na maaaring kabilang ang short-wavelength na infrared sa itaas (SWIR, IR-B, mula 1.4-3 μm) at bahagi ng mid-wave infrared (MWIR, ang saklaw ay 3-8 μm).

Karaniwang aplikasyon

Ang karaniwang paggamit ng mga light source sa banda na ito ay ang pagkakakilanlan ng laser absorption spectra sa mga trace gas (hal. remote sensing sa medical diagnosis at environmental monitoring). Dito, sinasamantala ng pagsusuri ang malakas at katangian ng mga banda ng pagsipsip ng maraming molekula sa mid-infrared na spectral na rehiyon, na nagsisilbing "molecular fingerprints". Bagama't maaari ding pag-aralan ng isa ang ilan sa mga molekulang ito sa pamamagitan ng mga pan-absorption lines sa near-infrared na rehiyon, dahil mas madaling ihanda ang near-infrared laser sources, may mga pakinabang sa paggamit ng malakas na pangunahing mga linya ng absorption sa mid-infrared na rehiyon na may mas mataas na sensitivity. .

Sa mid-infrared imaging, ginagamit din ang mga light source sa banda na ito. Karaniwang sinasamantala ng mga tao ang katotohanan na ang mid-infrared na ilaw ay maaaring tumagos nang mas malalim sa mga materyales at mas mababa ang pagkalat. Halimbawa, sa kaukulang hyperspectral imaging application, ang near-infrared hanggang mid-infrared ay maaaring magbigay ng spectral na impormasyon para sa bawat pixel (o voxel).

Dahil sa patuloy na pag-unlad ng mid-infrared laser sources, tulad ng fiber lasers, ang mga non-metallic laser materials processing applications ay nagiging mas praktikal. Kadalasan, sinasamantala ng mga tao ang malakas na pagsipsip ng infrared na ilaw ng ilang mga materyales, tulad ng mga polymer film, upang piliing alisin ang mga materyales.

Ang isang tipikal na kaso ay ang indium tin oxide (ITO) transparent conductive films na ginagamit para sa mga electrodes sa mga electronic at optoelectronic na device ay kailangang i-structure sa pamamagitan ng selective laser ablation. Ang isa pang halimbawa ay ang tumpak na pagtanggal ng mga coatings sa optical fibers. Ang mga antas ng kapangyarihan na kinakailangan sa banda na ito para sa mga naturang application ay karaniwang mas mababa kaysa sa mga kinakailangan para sa mga aplikasyon tulad ng laser cutting.

Ang malapit-infrared hanggang mid-infrared na mga pinagmumulan ng liwanag ay ginagamit din ng militar para sa mga direksiyon na infrared na mga hakbang laban sa mga missile na naghahanap ng init. Bilang karagdagan sa mas mataas na output power na angkop para sa mga nakakabulag na infrared na camera, ang malawak na spectral coverage sa loob ng atmospheric transmission band (mga 3-4 μm at 8-13 μm) ay kinakailangan din upang maiwasan ang mga simpleng bingot na filter mula sa pagprotekta sa mga infrared detector.

Ang atmospheric transmission window na inilarawan sa itaas ay maaari ding gamitin para sa free-space optical na komunikasyon sa pamamagitan ng mga directional beam, at ang mga quantum cascade laser ay ginagamit sa maraming aplikasyon para sa layuning ito.

Sa ilang mga kaso, ang mid-infrared ultrashort pulse ay kinakailangan. Halimbawa, maaaring gumamit ng mid-infrared frequency combs sa laser spectroscopy, o samantalahin ang mataas na peak intensity ng ultrashort pulse para sa lasing. Ito ay maaaring mabuo gamit ang isang mode-locked laser.

Sa partikular, para sa malapit-infrared hanggang mid-infrared na mga pinagmumulan ng liwanag, ang ilang mga application ay may mga espesyal na kinakailangan para sa pag-scan ng mga wavelength o wavelength tunability, at ang near-infrared hanggang mid-infrared na wavelength tunable na mga laser ay gumaganap din ng napakahalagang papel sa mga application na ito.

Halimbawa, sa spectroscopy, ang mid-infrared tunable lasers ay mahahalagang tool, maging sa gas sensing, environmental monitoring, o chemical analysis. Inaayos ng mga siyentipiko ang wavelength ng laser upang tumpak na iposisyon ito sa mid-infrared range upang makita ang mga partikular na linya ng pagsipsip ng molekular. Sa ganitong paraan, makakakuha sila ng detalyadong impormasyon tungkol sa komposisyon at mga katangian ng bagay, tulad ng pag-crack ng code book na puno ng mga lihim.

Sa larangan ng medikal na imaging, ang mid-infrared tunable lasers ay may mahalagang papel din. Malawakang ginagamit ang mga ito sa mga non-invasive na diagnostic at imaging na teknolohiya. Sa pamamagitan ng tumpak na pag-tune ng wavelength ng laser, ang mid-infrared na ilaw ay maaaring tumagos sa biological tissue, na nagreresulta sa mga larawang may mataas na resolution. Ito ay mahalaga para sa pag-detect at pag-diagnose ng mga sakit at abnormalidad, tulad ng isang mahiwagang liwanag na sumisilip sa mga panloob na lihim ng katawan ng tao.

Ang larangan ng depensa at seguridad ay hindi rin mapaghihiwalay mula sa paggamit ng mid-infrared tunable lasers. Ang mga laser na ito ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa infrared countermeasures, lalo na laban sa heat-seeking missiles. Halimbawa, maaaring protektahan ng Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) ang sasakyang panghimpapawid mula sa pagsubaybay at pag-atake ng mga missile. Sa pamamagitan ng mabilis na pagsasaayos ng wavelength ng laser, ang mga sistemang ito ay maaaring makagambala sa sistema ng paggabay ng mga papasok na missile at agad na iikot ang takbo ng labanan, tulad ng isang magic sword na nagbabantay sa kalangitan.

Ang teknolohiya ng remote sensing ay isang mahalagang paraan ng pagmamasid at pagsubaybay sa lupa, kung saan ang mga infrared tunable lasers ay may mahalagang papel. Ang mga larangan tulad ng pagsubaybay sa kapaligiran, pagsasaliksik sa atmospera, at pagmamasid sa Earth ay umaasa lahat sa paggamit ng mga laser na ito. Ang mid-infrared tunable lasers ay nagbibigay-daan sa mga siyentipiko na sukatin ang mga partikular na linya ng pagsipsip ng mga gas sa atmospera, na nagbibigay ng mahalagang data upang makatulong sa pagsasaliksik sa klima, pagsubaybay sa polusyon at pagtataya ng panahon, tulad ng isang magic mirror na nagbibigay ng mga insight sa mga misteryo ng kalikasan.

Sa mga pang-industriyang setting, ang mid-infrared tunable lasers ay malawakang ginagamit para sa precision material processing. Sa pamamagitan ng pag-tune ng mga laser sa mga wavelength na malakas na hinihigop ng ilang mga materyales, pinapagana nila ang selective ablation, cutting o welding. Nagbibigay-daan ito sa paggawa ng precision sa mga lugar tulad ng electronics, semiconductors at micromachining. Ang mid-infrared tunable laser ay parang pinong pinakintab na ukit na kutsilyo, na nagpapahintulot sa industriya na mag-ukit ng mga produktong pinong inukit at ipakita ang kinang ng teknolohiya.