Laser sintonizzabili dal vicino infrarosso al medio infrarosso

Differenti definizioni di range spettrali.

In generale, quando le persone parlano di sorgenti di luce infrarossa, si riferiscono alla luce con lunghezze d'onda del vuoto superiori a ~700–800 nm (il limite superiore della gamma di lunghezze d'onda visibili).

Il limite inferiore specifico della lunghezza d'onda non è chiaramente definito in questa descrizione perché la percezione dell'infrarosso da parte dell'occhio umano diminuisce lentamente anziché interrompersi in un dirupo.

Ad esempio, la risposta della luce a 700 nm all'occhio umano è già molto bassa, ma se la luce è abbastanza forte, l'occhio umano può vedere anche la luce emessa da alcuni diodi laser con lunghezze d'onda superiori a 750 nm, che rendono anche gli infrarossi i laser rappresentano un rischio per la sicurezza. --Anche se non è molto luminoso per l'occhio umano, la sua potenza effettiva potrebbe essere molto elevata.

Allo stesso modo, come l'intervallo del limite inferiore della sorgente di luce a infrarossi (700~800 nm), anche l'intervallo di definizione del limite superiore della sorgente di luce a infrarossi è incerto. In generale è di circa 1 mm.

Ecco alcune definizioni comuni della banda degli infrarossi:

Regione spettrale del vicino infrarosso (chiamata anche IR-A), intervallo ~750-1400 nm.

I laser emessi in questa regione di lunghezza d'onda sono soggetti a problemi di rumore e di sicurezza dell'occhio umano, poiché la funzione di messa a fuoco dell'occhio umano è compatibile con le gamme di luce del vicino infrarosso e della luce visibile, in modo che la sorgente luminosa della banda del vicino infrarosso possa essere trasmessa e focalizzata al retina sensibile allo stesso modo, ma la luce della banda del vicino infrarosso non attiva il riflesso protettivo dell'ammiccamento. Di conseguenza, la retina dell'occhio umano viene danneggiata da un'energia eccessiva dovuta all'insensibilità. Pertanto, quando si utilizzano sorgenti luminose in questa banda, è necessario prestare la massima attenzione alla protezione degli occhi.

La gamma degli infrarossi a lunghezza d'onda corta (SWIR, IR-B) è compresa tra 1,4 e 3 μm.

Quest'area è relativamente sicura per gli occhi perché la luce viene assorbita dall'occhio prima che raggiunga la retina. Ad esempio, in questa regione operano gli amplificatori in fibra drogata con erbio utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica.

La gamma degli infrarossi a onda media (MWIR) è 3-8 μm.

L'atmosfera mostra un forte assorbimento in alcune parti della regione; molti gas atmosferici avranno linee di assorbimento in questa banda, come l'anidride carbonica (CO2) e il vapore acqueo (H2O). Anche perché molti gas mostrano un forte assorbimento in questa banda. Le forti caratteristiche di assorbimento rendono questa regione spettrale ampiamente utilizzata per il rilevamento di gas nell'atmosfera.

La gamma degli infrarossi a onda lunga (LWIR) è 8-15 μm.

Poi c'è l'infrarosso lontano (FIR), che varia da 15 μm a 1 mm (ma esistono anche definizioni a partire da 50 μm, vedere ISO 20473). Questa regione spettrale viene utilizzata principalmente per la termografia.

Questo articolo si propone di discutere la selezione di laser a lunghezza d'onda regolabile a banda larga con sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso, che possono includere i suddetti infrarossi a lunghezza d'onda corta (SWIR, IR-B, che vanno da 1,4-3 μm) e parte del infrarosso a onda media (MWIR, range 3-8 μm).

Applicazione tipica

Una tipica applicazione delle sorgenti luminose in questa banda è l'identificazione degli spettri di assorbimento laser in gas in tracce (ad esempio telerilevamento nella diagnosi medica e nel monitoraggio ambientale). In questo caso l'analisi sfrutta le bande di assorbimento forti e caratteristiche di molte molecole nella regione spettrale del medio infrarosso, che fungono da "impronte digitali molecolari". Sebbene sia possibile studiare alcune di queste molecole anche attraverso linee di pan-assorbimento nella regione del vicino infrarosso, poiché le sorgenti laser del vicino infrarosso sono più facili da preparare, ci sono vantaggi nell'utilizzare forti linee di assorbimento fondamentale nella regione del medio infrarosso con maggiore sensibilità .

Nell'imaging nel medio infrarosso vengono utilizzate anche sorgenti luminose in questa banda. Le persone di solito traggono vantaggio dal fatto che la luce nel medio infrarosso può penetrare più in profondità nei materiali e ha una minore dispersione. Ad esempio, nelle corrispondenti applicazioni di imaging iperspettrale, dal vicino infrarosso al medio infrarosso può fornire informazioni spettrali per ciascun pixel (o voxel).

Grazie al continuo sviluppo delle sorgenti laser nel medio infrarosso, come i laser a fibra, le applicazioni laser per la lavorazione di materiali non metallici stanno diventando sempre più pratiche. In genere, le persone sfruttano il forte assorbimento della luce infrarossa da parte di alcuni materiali, come le pellicole polimeriche, per rimuovere selettivamente i materiali.

Un caso tipico è che i film conduttivi trasparenti di ossido di indio-stagno (ITO) utilizzati per gli elettrodi nei dispositivi elettronici e optoelettronici devono essere strutturati mediante ablazione laser selettiva. Un altro esempio è la rimozione precisa dei rivestimenti sulle fibre ottiche. I livelli di potenza richiesti in questa banda per tali applicazioni sono generalmente molto inferiori a quelli richiesti per applicazioni come il taglio laser.

Le sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso vengono utilizzate anche dai militari per contromisure direzionali a infrarossi contro i missili a ricerca di calore. Oltre a una maggiore potenza di uscita adatta per accecare le telecamere a infrarossi, è necessaria anche un'ampia copertura spettrale all'interno della banda di trasmissione atmosferica (circa 3-4 μm e 8-13 μm) per impedire che semplici filtri dentellati proteggano i rilevatori a infrarossi.

La finestra di trasmissione atmosferica sopra descritta può essere utilizzata anche per comunicazioni ottiche nello spazio libero tramite raggi direzionali e in molte applicazioni vengono utilizzati laser a cascata quantistica.

In alcuni casi sono necessari impulsi ultracorti nel medio infrarosso. Ad esempio, si potrebbero utilizzare pettini di frequenza del medio infrarosso nella spettroscopia laser o sfruttare le elevate intensità di picco degli impulsi ultracorti per il laser. Questo può essere generato con un laser con modalità bloccata.

In particolare, per le sorgenti luminose dal vicino infrarosso al medio infrarosso, alcune applicazioni hanno requisiti speciali per la scansione delle lunghezze d'onda o la sintonizzazione della lunghezza d'onda, e anche i laser sintonizzabili con lunghezza d'onda dal vicino infrarosso al medio infrarosso svolgono un ruolo estremamente importante in queste applicazioni.

Ad esempio, nella spettroscopia, i laser sintonizzabili nel medio infrarosso sono strumenti essenziali, sia nel rilevamento dei gas, nel monitoraggio ambientale o nell’analisi chimica. Gli scienziati regolano la lunghezza d'onda del laser per posizionarlo con precisione nella gamma del medio infrarosso per rilevare specifiche linee di assorbimento molecolare. In questo modo possono ottenere informazioni dettagliate sulla composizione e le proprietà della materia, come decifrare un libro di codici pieno di segreti.

Nel campo dell’imaging medico, anche i laser sintonizzabili nel medio infrarosso svolgono un ruolo importante. Sono ampiamente utilizzati nelle tecnologie diagnostiche e di imaging non invasive. Sintonizzando con precisione la lunghezza d'onda del laser, la luce nel medio infrarosso può penetrare nel tessuto biologico, producendo immagini ad alta risoluzione. Questo è importante per individuare e diagnosticare malattie e anomalie, come una luce magica che scruta i segreti più intimi del corpo umano.

Il campo della difesa e della sicurezza è anche inseparabile dall'applicazione dei laser sintonizzabili nel medio infrarosso. Questi laser svolgono un ruolo chiave nelle contromisure a infrarossi, in particolare contro i missili a ricerca di calore. Ad esempio, il sistema di contromisure direzionali a infrarossi (DIRCM) può proteggere gli aerei dall’essere tracciati e attaccati dai missili. Regolando rapidamente la lunghezza d'onda del laser, questi sistemi possono interferire con il sistema di guida dei missili in arrivo e cambiare istantaneamente le sorti della battaglia, come una spada magica a guardia del cielo.

La tecnologia di telerilevamento è un mezzo importante per osservare e monitorare la terra, in cui i laser sintonizzabili a infrarossi svolgono un ruolo chiave. Campi come il monitoraggio ambientale, la ricerca atmosferica e l’osservazione della Terra si basano tutti sull’uso di questi laser. I laser sintonizzabili nel medio infrarosso consentono agli scienziati di misurare specifiche linee di assorbimento dei gas nell’atmosfera, fornendo dati preziosi per aiutare la ricerca sul clima, il monitoraggio dell’inquinamento e le previsioni meteorologiche, come uno specchio magico che fornisce informazioni sui misteri della natura.

Negli ambienti industriali, i laser sintonizzabili nel medio infrarosso sono ampiamente utilizzati per la lavorazione di precisione dei materiali. Sintonizzando i laser su lunghezze d'onda fortemente assorbite da determinati materiali, consentono l'ablazione, il taglio o la saldatura selettiva. Ciò consente una produzione di precisione in settori quali l’elettronica, i semiconduttori e la microlavorazione. Il laser sintonizzabile nel medio infrarosso è come un coltello da intaglio finemente lucidato, che consente all'industria di ritagliare prodotti finemente intagliati e mostrare la brillantezza della tecnologia.