لیزرهای قابل تنظیم نزدیک به مادون قرمز تا مادون قرمز متوسط

تعاریف مختلف محدوده طیفی

به طور کلی، وقتی مردم در مورد منابع نور مادون قرمز صحبت می کنند، منظور آنها نوری با طول موج خلاء بیشتر از ~700-800 نانومتر (حد بالای محدوده طول موج مرئی) است.

حد پایین طول موج خاص در این توصیف به وضوح تعریف نشده است زیرا درک چشم انسان از مادون قرمز به جای قطع شدن در یک صخره به آرامی کاهش می یابد.

به عنوان مثال، پاسخ نور در 700 نانومتر به چشم انسان در حال حاضر بسیار کم است، اما اگر نور به اندازه کافی قوی باشد، چشم انسان حتی می‌تواند نور ساطع شده توسط برخی از دیودهای لیزری با طول موج بیش از 750 نانومتر را ببیند، که مادون قرمز را نیز می‌سازد. لیزر یک خطر ایمنی است - حتی اگر برای چشم انسان خیلی روشن نباشد، قدرت واقعی آن ممکن است بسیار زیاد باشد.

به طور مشابه، مانند محدوده حد پایین منبع نور مادون قرمز (700 تا 800 نانومتر)، محدوده تعریف حد بالایی منبع نور مادون قرمز نیز نامشخص است. به طور کلی، حدود 1 میلی متر است.

در اینجا چند تعریف رایج از باند مادون قرمز وجود دارد:

منطقه طیفی مادون قرمز نزدیک (همچنین IR-A نامیده می شود)، محدوده ~750-1400 نانومتر.

لیزرهای ساطع شده در این منطقه طول موج مستعد نویز و مسائل ایمنی چشم انسان هستند، زیرا عملکرد فوکوس چشم انسان با محدوده نور نزدیک به مادون قرمز و مرئی سازگار است، به طوری که منبع نور باند مادون قرمز نزدیک می تواند منتقل و متمرکز شود. شبکیه حساس به همان روش، اما نور باند مادون قرمز نزدیک، رفلکس چشمک زدن محافظ را تحریک نمی کند. در نتیجه شبکیه چشم انسان در اثر انرژی بیش از حد به دلیل عدم حساسیت آسیب می بیند. بنابراین هنگام استفاده از منابع نور در این باند باید به محافظت از چشم توجه کامل داشت.

دامنه مادون قرمز با طول موج کوتاه (SWIR، IR-B) بین 1.4-3 میکرومتر است.

این ناحیه برای چشم نسبتاً ایمن است زیرا این نور قبل از رسیدن به شبکیه توسط چشم جذب می شود. به عنوان مثال، تقویت کننده های فیبر دوپ شده با اربیوم مورد استفاده در ارتباطات فیبر نوری در این منطقه کار می کنند.

محدوده امواج مادون قرمز (MWIR) 3-8 میکرومتر است.

جو در بخش هایی از منطقه جذب قوی را نشان می دهد. بسیاری از گازهای اتمسفر دارای خطوط جذب در این باند هستند، مانند دی اکسید کربن (CO2) و بخار آب (H2O). همچنین به دلیل اینکه بسیاری از گازها در این باند جذب قوی از خود نشان می‌دهند، ویژگی‌های جذب قوی باعث می‌شود که این ناحیه طیفی به طور گسترده برای تشخیص گاز در جو مورد استفاده قرار گیرد.

برد مادون قرمز موج بلند (LWIR) 8-15 میکرومتر است.

بعدی مادون قرمز دور (FIR) است که از 15 میکرومتر تا 1 میلی متر متغیر است (اما تعاریفی نیز وجود دارد که از 50 میکرومتر شروع می شود، به ISO 20473 مراجعه کنید). این ناحیه طیفی عمدتاً برای تصویربرداری حرارتی استفاده می شود.

هدف این مقاله بحث در مورد انتخاب لیزرهای با طول موج قابل تنظیم باند پهن با منابع نوری نزدیک به مادون قرمز تا مادون قرمز میانی است که ممکن است شامل طول موج مادون قرمز با طول موج کوتاه فوق (SWIR، IR-B، محدوده بین 1.4-3 میکرومتر) و بخشی از مادون قرمز موج میانی (MWIR، محدوده 3-8 میکرومتر است).

کاربرد معمولی

یک کاربرد معمولی از منابع نور در این باند، شناسایی طیف های جذب لیزر در گازهای ردیابی است (به عنوان مثال سنجش از دور در تشخیص پزشکی و پایش محیطی). در اینجا، آنالیز از نوارهای جذب قوی و مشخص بسیاری از مولکول‌ها در ناحیه طیفی مادون قرمز میانی، که به عنوان «اثر انگشت مولکولی» عمل می‌کنند، بهره می‌برد. اگرچه می توان برخی از این مولکول ها را از طریق خطوط جذب پان در ناحیه مادون قرمز نزدیک نیز مطالعه کرد، از آنجایی که منابع لیزری نزدیک به مادون قرمز آسان تر آماده می شوند، استفاده از خطوط جذب بنیادی قوی در ناحیه مادون قرمز متوسط ​​با حساسیت بالاتر مزایایی دارد. .

در تصویربرداری مادون قرمز میانی از منابع نوری در این باند نیز استفاده می شود. مردم معمولاً از این واقعیت استفاده می کنند که نور مادون قرمز میانه می تواند به عمق مواد نفوذ کند و پراکندگی کمتری دارد. به عنوان مثال، در برنامه های تصویربرداری فراطیفی متناظر، مادون قرمز نزدیک تا مادون قرمز میانه می تواند اطلاعات طیفی را برای هر پیکسل (یا وکسل) ارائه دهد.

با توجه به توسعه مداوم منابع لیزر مادون قرمز میانی، مانند لیزرهای فیبر، کاربردهای پردازش مواد لیزری غیرفلزی بیشتر و کاربردی تر می شوند. به طور معمول، افراد از جذب قوی نور مادون قرمز توسط مواد خاصی مانند فیلم های پلیمری برای حذف انتخابی مواد استفاده می کنند.

یک مورد معمول این است که فیلم‌های رسانای شفاف اکسید قلع ایندیم (ITO) که برای الکترودها در دستگاه‌های الکترونیکی و اپتوالکترونیکی استفاده می‌شوند، باید توسط لیزر انتخابی ساختاردهی شوند. مثال دیگر برداشتن دقیق پوشش روی فیبرهای نوری است. سطوح توان مورد نیاز در این باند برای چنین کاربردهایی معمولاً بسیار کمتر از سطوح مورد نیاز برای کاربردهایی مانند برش لیزری است.

منابع نوری نزدیک به مادون قرمز تا مادون قرمز میانی نیز توسط ارتش برای اقدامات متقابل مادون قرمز جهت دار علیه موشک های گرما یاب استفاده می شود. علاوه بر توان خروجی بالاتر مناسب برای کور کردن دوربین‌های مادون قرمز، پوشش طیفی وسیعی در باند انتقال اتمسفر (حدود 3-4 میکرومتر و 8-13 میکرومتر) نیز برای جلوگیری از محافظت از آشکارسازهای مادون قرمز توسط فیلترهای ناچ ساده مورد نیاز است.

پنجره انتقال اتمسفر که در بالا توضیح داده شد می تواند برای ارتباطات نوری در فضای آزاد از طریق پرتوهای جهت استفاده شود و لیزرهای آبشاری کوانتومی در بسیاری از کاربردها برای این منظور استفاده می شوند.

در برخی موارد، پالس های اولترا کوتاه مادون قرمز میانی مورد نیاز است. برای مثال، می‌توان از شانه‌های فرکانس مادون قرمز میانی در طیف‌سنجی لیزری استفاده کرد، یا از شدت‌های اوج بالای پالس‌های فوق کوتاه برای لیزر استفاده کرد. این را می توان با لیزر قفل حالت ایجاد کرد.

به طور خاص، برای منابع نور مادون قرمز نزدیک به مادون قرمز میانی، برخی از برنامه ها دارای الزامات خاصی برای اسکن طول موج یا تنظیم طول موج هستند و لیزرهای قابل تنظیم با طول موج مادون قرمز نزدیک تا مادون قرمز میانی نیز نقش بسیار مهمی در این کاربردها دارند.

به عنوان مثال، در طیف‌سنجی، لیزرهای قابل تنظیم مادون قرمز میانی ابزارهای ضروری هستند، چه در سنجش گاز، نظارت بر محیط‌زیست یا آنالیز شیمیایی. دانشمندان طول موج لیزر را طوری تنظیم می‌کنند که دقیقاً آن را در محدوده مادون قرمز متوسط ​​قرار دهند تا خطوط جذب مولکولی خاص را تشخیص دهند. به این ترتیب آنها می توانند اطلاعات دقیقی در مورد ترکیبات و خواص ماده مانند شکستن یک کتاب رمز پر از اسرار به دست آورند.

در زمینه تصویربرداری پزشکی، لیزرهای قابل تنظیم مادون قرمز میانی نیز نقش مهمی دارند. آنها به طور گسترده در فناوری های تشخیصی و تصویربرداری غیر تهاجمی استفاده می شوند. با تنظیم دقیق طول موج لیزر، نور مادون قرمز میانی می تواند به بافت بیولوژیکی نفوذ کند و در نتیجه تصاویری با وضوح بالا ایجاد کند. این برای تشخیص و تشخیص بیماری ها و ناهنجاری ها مهم است، مانند نوری جادویی که به اسرار درونی بدن انسان نگاه می کند.

حوزه دفاع و امنیت نیز از کاربرد لیزرهای قابل تنظیم مادون قرمز میانی جدایی ناپذیر است. این لیزرها در اقدامات متقابل مادون قرمز به ویژه در برابر موشک های گرما یاب نقش اساسی دارند. به عنوان مثال، سیستم ضد اقدام مادون قرمز جهت دار (DIRCM) می تواند هواپیما را از ردیابی و حمله موشکی محافظت کند. این سیستم‌ها با تنظیم سریع طول موج لیزر می‌توانند با سیستم هدایت موشک‌های ورودی تداخل داشته باشند و مانند شمشیر جادویی که از آسمان محافظت می‌کند، جریان نبرد را فوراً تغییر دهند.

فناوری سنجش از دور ابزار مهمی برای مشاهده و پایش زمین است که در آن لیزرهای قابل تنظیم مادون قرمز نقش کلیدی ایفا می کنند. زمینه هایی مانند نظارت بر محیط زیست، تحقیقات جوی و رصد زمین همگی به استفاده از این لیزرها متکی هستند. لیزرهای قابل تنظیم مادون قرمز میانی دانشمندان را قادر می‌سازد خطوط جذب خاصی از گازها را در اتمسفر اندازه‌گیری کنند و داده‌های ارزشمندی را برای کمک به تحقیقات آب و هوا، پایش آلودگی و پیش‌بینی آب و هوا، مانند یک آینه جادویی که بینش‌هایی را در مورد اسرار طبیعت ارائه می‌دهد، ارائه می‌دهد.

در تنظیمات صنعتی، لیزرهای قابل تنظیم مادون قرمز میانی به طور گسترده ای برای پردازش دقیق مواد استفاده می شود. لیزرها با تنظیم طول موج هایی که به شدت توسط مواد خاصی جذب می شوند، فرسایش انتخابی، برش یا جوشکاری را امکان پذیر می کنند. این امکان ساخت دقیق در زمینه هایی مانند الکترونیک، نیمه هادی ها و ریزماشین کاری را فراهم می کند. لیزر قابل تنظیم مادون قرمز میانی مانند یک چاقوی حکاکی با صیقلی است که به صنعت این امکان را می دهد تا محصولات ریز کنده کاری شده را تراشیده و درخشش فناوری را نشان دهد.