Lasers sintonizáveis ​​de infravermelho próximo a infravermelho médio

Diferentes definições de faixa espectral.

De modo geral, quando as pessoas falam sobre fontes de luz infravermelha, estão se referindo à luz com comprimentos de onda de vácuo superiores a ~700–800 nm (o limite superior da faixa de comprimento de onda visível).

O limite inferior específico do comprimento de onda não está claramente definido nesta descrição porque a percepção do infravermelho pelo olho humano diminui lentamente, em vez de ser interrompida em um penhasco.

Por exemplo, a resposta da luz a 700 nm ao olho humano já é muito baixa, mas se a luz for forte o suficiente, o olho humano pode até ver a luz emitida por alguns diodos laser com comprimentos de onda superiores a 750 nm, o que também torna o infravermelho lasers são um risco à segurança. --Mesmo que não seja muito brilhante para o olho humano, seu poder real pode ser muito alto.

Da mesma forma, como a faixa limite inferior da fonte de luz infravermelha (700 ~ 800 nm), a faixa de definição do limite superior da fonte de luz infravermelha também é incerta. De modo geral, é cerca de 1 mm.

Aqui estão algumas definições comuns da banda infravermelha:

Região espectral do infravermelho próximo (também chamada IR-A), faixa de ~750-1400 nm.

Os lasers emitidos nesta região de comprimento de onda são propensos a ruídos e problemas de segurança do olho humano, porque a função de foco do olho humano é compatível com as faixas de luz infravermelha próxima e visível, de modo que a fonte de luz da banda infravermelha próxima pode ser transmitida e focada para o retina sensível da mesma maneira, mas a faixa de luz infravermelha próxima não aciona o reflexo protetor de piscar. Como resultado, a retina do olho humano é danificada pelo excesso de energia devido à insensibilidade. Portanto, ao utilizar fontes de luz nesta faixa, deve-se prestar atenção total à proteção dos olhos.

Infravermelho de comprimento de onda curto (SWIR, IR-B) varia de 1,4-3 μm.

Esta área é relativamente segura para os olhos porque a luz é absorvida pelo olho antes de atingir a retina. Por exemplo, amplificadores de fibra dopada com érbio usados ​​em comunicações de fibra óptica operam nesta região.

A faixa infravermelha de onda média (MWIR) é de 3-8 μm.

A atmosfera apresenta forte absorção em partes da região; muitos gases atmosféricos terão linhas de absorção nesta banda, como dióxido de carbono (CO2) e vapor de água (H2O). Também porque muitos gases apresentam forte absorção nesta banda. Fortes características de absorção tornam esta região espectral amplamente utilizada para detecção de gases na atmosfera.

A faixa infravermelha de onda longa (LWIR) é de 8 a 15 μm.

Em seguida vem o infravermelho distante (FIR), que varia de 15 μm a 1 mm (mas também existem definições a partir de 50 μm, consulte ISO 20473). Esta região espectral é usada principalmente para imagens térmicas.

Este artigo tem como objetivo discutir a seleção de lasers de comprimento de onda sintonizável de banda larga com fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio, que podem incluir o infravermelho de comprimento de onda curto acima (SWIR, IR-B, variando de 1,4-3 μm) e parte do infravermelho de onda média (MWIR, variando de 3 a 8 μm).

Aplicação típica

Uma aplicação típica de fontes de luz nesta banda é a identificação de espectros de absorção de laser em gases traço (por exemplo, sensoriamento remoto em diagnóstico médico e monitoramento ambiental). Aqui, a análise aproveita as bandas de absorção fortes e características de muitas moléculas na região espectral do infravermelho médio, que servem como “impressões digitais moleculares”. Embora também seja possível estudar algumas dessas moléculas através de linhas de pan-absorção na região do infravermelho próximo, uma vez que as fontes de laser no infravermelho próximo são mais fáceis de preparar, há vantagens em usar linhas de absorção fundamentais fortes na região do infravermelho médio com maior sensibilidade. .

Na imagem no infravermelho médio, fontes de luz nesta banda também são usadas. As pessoas geralmente aproveitam o fato de que a luz infravermelha média pode penetrar mais profundamente nos materiais e ter menos dispersão. Por exemplo, em aplicações de imagem hiperespectrais correspondentes, do infravermelho próximo ao infravermelho médio pode fornecer informações espectrais para cada pixel (ou voxel).

Devido ao desenvolvimento contínuo de fontes de laser infravermelho médio, como lasers de fibra, as aplicações de processamento de materiais a laser não metálicos estão se tornando cada vez mais práticas. Normalmente, as pessoas aproveitam a forte absorção da luz infravermelha por certos materiais, como filmes de polímero, para remover materiais seletivamente.

Um caso típico é que filmes condutores transparentes de óxido de índio e estanho (ITO) usados ​​para eletrodos em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos precisam ser estruturados por ablação seletiva a laser. Outro exemplo é a remoção precisa de revestimentos em fibras ópticas. Os níveis de potência exigidos nesta faixa para tais aplicações são normalmente muito mais baixos do que aqueles exigidos para aplicações como corte a laser.

Fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio também são usadas pelos militares para contramedidas infravermelhas direcionais contra mísseis direcionados ao calor. Além da maior potência de saída adequada para cegar câmeras infravermelhas, também é necessária uma ampla cobertura espectral dentro da banda de transmissão atmosférica (cerca de 3-4 μm e 8-13 μm) para evitar que filtros simples com entalhes protejam os detectores infravermelhos.

A janela de transmissão atmosférica descrita acima também pode ser usada para comunicações ópticas em espaço livre através de feixes direcionais, e lasers em cascata quântica são usados ​​em muitas aplicações para esse fim.

Em alguns casos, são necessários pulsos ultracurtos no infravermelho médio. Por exemplo, pode-se usar pentes de frequência infravermelha média em espectroscopia a laser ou explorar as altas intensidades de pico de pulsos ultracurtos para laser. Isso pode ser gerado com um laser de modo bloqueado.

Em particular, para fontes de luz do infravermelho próximo ao infravermelho médio, algumas aplicações têm requisitos especiais para comprimentos de onda de varredura ou sintonização de comprimento de onda, e os lasers sintonizáveis ​​de comprimento de onda do infravermelho próximo ao infravermelho médio também desempenham um papel extremamente importante nessas aplicações.

Por exemplo, na espectroscopia, os lasers sintonizáveis ​​no infravermelho médio são ferramentas essenciais, seja na detecção de gases, no monitoramento ambiental ou na análise química. Os cientistas ajustam o comprimento de onda do laser para posicioná-lo com precisão na faixa do infravermelho médio para detectar linhas específicas de absorção molecular. Dessa forma, eles podem obter informações detalhadas sobre a composição e as propriedades da matéria, como decifrar um livro de códigos cheio de segredos.

No campo da imagem médica, os lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio também desempenham um papel importante. Eles são amplamente utilizados em tecnologias de diagnóstico e imagem não invasivas. Ao ajustar com precisão o comprimento de onda do laser, a luz infravermelha média pode penetrar no tecido biológico, resultando em imagens de alta resolução. Isto é importante para detectar e diagnosticar doenças e anomalias, como uma luz mágica que perscruta os segredos internos do corpo humano.

O campo da defesa e segurança também é inseparável da aplicação de lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio. Esses lasers desempenham um papel fundamental nas contramedidas infravermelhas, especialmente contra mísseis guiados por calor. Por exemplo, o Sistema Direcional de Contramedidas Infravermelhas (DIRCM) pode proteger aeronaves de serem rastreadas e atacadas por mísseis. Ao ajustar rapidamente o comprimento de onda do laser, esses sistemas podem interferir no sistema de orientação dos mísseis que se aproximam e mudar instantaneamente o rumo da batalha, como uma espada mágica guardando o céu.

A tecnologia de sensoriamento remoto é um meio importante de observação e monitoramento da Terra, na qual os lasers infravermelhos sintonizáveis ​​desempenham um papel fundamental. Campos como monitoramento ambiental, pesquisa atmosférica e observação da Terra dependem do uso desses lasers. Os lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio permitem aos cientistas medir linhas de absorção específicas de gases na atmosfera, fornecendo dados valiosos para ajudar na investigação climática, na monitorização da poluição e na previsão do tempo, como um espelho mágico que fornece informações sobre os mistérios da natureza.

Em ambientes industriais, os lasers sintonizáveis ​​de infravermelho médio são amplamente utilizados para processamento de materiais de precisão. Ao ajustar os lasers para comprimentos de onda que são fortemente absorvidos por certos materiais, eles permitem ablação, corte ou soldagem seletiva. Isso permite a fabricação de precisão em áreas como eletrônica, semicondutores e microusinagem. O laser ajustável de infravermelho médio é como uma faca de trinchar finamente polida, permitindo à indústria esculpir produtos finamente esculpidos e mostrar o brilho da tecnologia.