چرا طول موج های مادون قرمز کلاسیک 808 نانومتر، 1064 نانومتر و 1550 نانومتر هستند؟

1. منبع نور (لیزر)

اجزای اساسی الفلیزررا می توان به سه بخش تقسیم کرد: منبع پمپ (که انرژی را برای دستیابی به وارونگی جمعیت در محیط کار فراهم می کند). یک محیط کاری (که ساختار سطح انرژی مناسبی دارد که وارونگی جمعیت را تحت عمل پمپ ممکن می‌سازد و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد از سطوح انرژی بالا به سطح پایین‌تر منتقل شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد کنند). و یک حفره رزونانس.

خواص محیط کار تعیین کننده طول موج نور لیزر ساطع شده است.

لیزر اصلی با طول موج 808 نانومتر یک لیزر نیمه هادی است. انرژی شکاف نواری نیمه هادی، طول موج نور لیزر ساطع شده را تعیین می کند و 808 نانومتر را به یک طول موج عملیاتی نسبتاً رایج تبدیل می کند. نوع لیزر نیمه هادی 808 نانومتری نیز یکی از قدیمی ترین و به شدت مورد تحقیق است. منطقه فعال آن از مواد حاوی آلومینیوم (مانند InAlGaAs) یا مواد بدون آلومینیوم (مانند GaAsP) تشکیل شده است. این نوع لیزر مزایایی مانند هزینه کم، راندمان بالا و عمر طولانی را ارائه می دهد.

1064 نانومتر نیز یک طول موج کلاسیک برای لیزرهای حالت جامد است. ماده کار یک کریستال YAG (گارنت آلومینیوم ایتریوم Y3AI5012) دوپ شده با نئودیمیم (Nd) است. یون های آلومینیوم در کریستال YAG به صورت هم افزایی با کاتیون های دوپ شده Nd برهم کنش می کنند و ساختار فضایی مناسب و ساختار نوار انرژی ایجاد می کنند. تحت عمل انرژی برانگیختگی، کاتیون‌های Nd به حالت برانگیخته برانگیخته می‌شوند و تحت انتقال رادیواکتیو قرار می‌گیرند و لیزر تولید می‌کنند. علاوه بر این، کریستال های Nd:YAG پایداری عالی و عمر عملیاتی نسبتا طولانی را ارائه می دهند.

لیزرهای 1550 نانومتری نیز می توانند با استفاده از لیزرهای نیمه هادی تولید شوند. مواد نیمه هادی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از InGaAsP، InGaAsN و InGaAlAs.

2. موارد استفاده و برنامه های کاربردی

باند مادون قرمز کاربردهای متعددی مانند ارتباطات نوری، مراقبت های بهداشتی، تصویربرداری زیست پزشکی، پردازش لیزری و غیره دارد.

به عنوان مثال ارتباطات نوری را در نظر بگیرید. ارتباطات فیبر نوری فعلی از فیبر کوارتز استفاده می کند. برای اطمینان از اینکه نور می تواند اطلاعات را در فواصل طولانی بدون اتلاف حمل کند، باید در نظر بگیریم که کدام طول موج نور از طریق فیبر بهتر منتقل می شود.

در باند مادون قرمز نزدیک، از دست دادن فیبر کوارتز معمولی با افزایش طول موج، به استثنای پیک های جذب ناخالصی، کاهش می یابد. سه "پنجره" با طول موج با تلفات بسیار کم در 0.85 میکرومتر، 1.31 میکرومتر و 1.55 میکرومتر وجود دارد. طول موج انتشار لیزر منبع نور و پاسخ طول موج فتودیود ردیاب نوری باید با این سه پنجره طول موج هماهنگ باشد. به طور خاص، در شرایط آزمایشگاهی، تلفات 1.55 میکرومتر به 0.1419 دسی بل در کیلومتر رسیده است که به حد تلفات نظری برای فیبر کوارتز نزدیک می شود.

نور در این محدوده طول موج می تواند به خوبی به بافت بیولوژیکی نفوذ کند و در زمینه هایی مانند فوتوترمال درمانی کاربرد دارد. به عنوان مثال، یو و همکاران. نانوذرات هدفمند هپارین-فولات را با استفاده از رنگ سیانین نزدیک به مادون قرمز IR780 ساخت که دارای حداکثر طول موج جذب تقریباً 780 نانومتر و طول موج انتشار 807 نانومتر است. در غلظت 10 میلی گرم بر میلی لیتر، تابش لیزر (لیزر 808 نانومتر، چگالی توان 0.6 W/cm²) به مدت 2 دقیقه دما را از 23 درجه سانتی گراد به 42 درجه سانتی گراد افزایش داد. دوز 1.4 میلی گرم بر کیلوگرم به موش های حامل تومورهای MCF-7 گیرنده فولات مثبت داده شد و تومورها با نور لیزر 808 نانومتر (0.8 W/cm²) به مدت 5 دقیقه تحت تابش قرار گرفتند. انقباض قابل توجه تومور طی روزهای بعد مشاهده شد.

از دیگر کاربردها می توان به لیدار مادون قرمز اشاره کرد. باند طول موج 905 نانومتری فعلی دارای قابلیت تداخل آب و هوایی ضعیف و نفوذ ناکافی به باران و مه است. تابش لیزر در 1.5 میکرومتر در پنجره اتمسفر 1.5-1.8 میکرومتر قرار می‌گیرد که منجر به تضعیف کم در هوا می‌شود. علاوه بر این، 905 نانومتر در باند خطرناک چشم قرار می‌گیرد و برای به حداقل رساندن آسیب، به محدودیت توان نیاز دارد. با این حال، 1550 نانومتر برای چشم ایمن است، بنابراین در لیدار نیز کاربرد دارد.

به طور خلاصه،لیزرهادر این طول موج ها هم بالغ و هم مقرون به صرفه هستند و عملکرد عالی در کاربردهای مختلف از خود نشان می دهند. مجموع این عوامل منجر به استفاده گسترده از لیزر در این طول موج ها شده است.