近红外到中红外可调谐激光器
时间:2024-01-27
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不同的光谱范围定义。
一般来说，当人们谈论红外光源时，他们指的是真空波长大于~700–800 nm（可见波长范围的上限）的光。
具体的波长下限在本说明书中没有明确定义，因为人眼对红外的感知缓慢下降，而不是在悬崖处切断。
例如，700nm的光对人眼的响应已经很低，但如果光足够强，人眼甚至可以看到一些波长超过750nm的激光二极管发出的光，这也使红外激光器存在安全风险--即使它对人眼来说不是很亮，它的实际功率也可能很高。
同样，与红外光源的下限范围（700~800nm）一样，红外光源的上限定义范围也不确定。一般来说，它大约为1毫米。
以下是红外波段的一些常见定义：
近红外光谱区（也称为IR-A），范围约为750-1400 nm。
在该波长区域发射的激光容易产生噪声和人眼安全问题，因为人眼的聚焦功能与近红外和可见光范围兼容，因此近红外波段光源可以以相同的方式传输和聚焦到敏感的视网膜，但近红外波段光不会触发保护性眨眼反射。结果，人眼的视网膜由于不敏感而受到过多能量的损害。因此，在使用该波段的光源时，必须充分注意眼睛保护。
短波红外（SWIR，IR-B）范围为1.4-3μm。
这个区域对眼睛来说相对安全，因为这种光在到达视网膜之前就被眼睛吸收了。例如，用于光纤通信的掺铒光纤放大器在该区域中工作。
中波红外（MWIR）范围为3-8μm。
该区域部分地区的大气表现出强烈的吸收作用；许多大气气体如二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）将在该波段具有吸收线。也因为许多气体在该波段表现出强吸收特性。强吸收特性使该光谱区域广泛用于大气中的气体检测。
长波红外（LWIR）范围为8-15μm。
其次是远红外（FIR），其范围为15μm-1 mm（但也有从50μm开始的定义，见ISO 20473）。该光谱区域主要用于热成像。
本文旨在讨论近红外到中红外光源的宽带可调谐波长激光器的选择，其中可能包括上述短波长红外（SWIR，IR-B，范围从1.4-3μm）和部分中波红外（MWIR，范围从3-8μm）。
典型应用
该波段光源的典型应用是识别痕量气体中的激光吸收光谱（例如，医疗诊断和环境监测中的遥感）。在这里，分析利用了许多分子在中红外光谱区的强吸收带和特征吸收带，这些吸收带充当“分子指纹”。尽管人们也可以通过近红外区域的泛吸收线来研究其中一些分子，但由于近红外激光源更容易制备，因此在中红外区域使用具有更高灵敏度的强基波吸收线具有优势。
在中红外成像中，也使用该波段的光源。人们通常利用这样一个事实，即中红外光可以更深地穿透材料，散射更少。例如，在相应的高光谱成像应用中，近红外到中红外可以为每个像素（或体素）提供光谱信息。
由于光纤激光器等中红外激光源的不断发展，非金属激光材料的加工应用越来越实用。通常，人们利用某些材料（如聚合物膜）对红外光的强烈吸收来选择性地去除材料。
典型的情况是，用于电子和光电子器件中的电极的铟锡氧化物（ITO）透明导电膜需要通过选择性激光烧蚀来结构化。另一个例子是光纤上涂层的精确剥离。这种应用在该频带中所需的功率水平通常远低于诸如激光切割的应用所需的那些功率水平。
近红外到中红外光源也被军方用于对抗热寻的导弹的定向红外对抗。除了适用于致盲红外相机的更高输出功率外，还需要在大气传输带（约3-4μm和8-13μm）内的宽光谱覆盖范围，以防止简单的陷波滤波器保护红外探测器。
上述大气传输窗口也可以用于经由定向光束的自由空间光通信，并且量子级联激光器在许多应用中用于此目的。
在某些情况下，需要中红外超短脉冲。例如，可以在激光光谱中使用中红外频率梳，或者利用超短脉冲的高峰值强度进行激光发射。这可以用锁模激光器产生。
特别是，对于近红外到中红外光源，一些应用对扫描波长或波长可调谐性有特殊要求，而近红外到中等红外波长可调谐激光器在这些应用中也发挥着极其重要的作用。
例如，在光谱学中，中红外可调谐激光器是必不可少的工具，无论是在气体传感、环境监测还是化学分析中。科学家们调整激光的波长，将其精确定位在中红外范围内，以检测特定的分子吸收线。通过这种方式，他们可以获得有关物质组成和性质的详细信息，就像破解一本充满秘密的密码本一样。
在医学成像领域，中红外可调谐激光器也发挥着重要作用。它们被广泛用于非侵入性诊断和成像技术。通过精确调整激光的波长，中红外光可以穿透生物组织，产生高分辨率的图像。这对于检测和诊断疾病和异常很重要，就像一盏神奇的光窥视人体的内部秘密。
国防和安全领域也离不开中红外可调谐激光器的应用。这些激光器在红外对抗中发挥着关键作用，尤其是对抗热寻的导弹。例如，定向红外对抗系统（DIRCM）可以保护飞机免受导弹的跟踪和攻击。通过快速调整激光的波长，这些系统可以干扰来袭导弹的制导系统，瞬间扭转战局，就像一把守护天空的魔剑。
遥感技术是观测和监测地球的重要手段，红外可调谐激光器在其中发挥着关键作用。环境监测、大气研究和地球观测等领域都依赖于这些激光的使用。中红外可调谐激光器使科学家能够测量大气中气体的特定吸收线，为气候研究、污染监测和天气预报提供有价值的数据，就像一面魔镜，洞察大自然的奥秘。
在工业环境中，中红外可调谐激光器被广泛用于精密材料加工。通过将激光调谐到某些材料强烈吸收的波长，它们可以进行选择性烧蚀、切割或焊接。这使得电子、半导体和微机械加工等领域的精密制造成为可能。中红外可调谐激光器就像一把精细抛光的雕刻刀，让行业雕刻出精细雕刻的产品，展现技术的光辉。
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