Perché le lunghezze d'onda degli infrarossi classici sono 808 nm, 1064 nm e 1550 nm?

1. Sorgente luminosa (laser)

I componenti fondamentali dell'alaserpuò essere divisa in tre parti: una fonte di pompaggio (che fornisce energia per ottenere l'inversione della popolazione nel mezzo di lavoro); un mezzo di lavoro (che ha un'adeguata struttura del livello energetico che consente l'inversione della popolazione sotto l'azione della pompa, consentendo agli elettroni di passare da livelli energetici elevati a quelli inferiori e rilasciare energia sotto forma di fotoni); e una cavità risonante.

Le proprietà del mezzo di lavoro determinano la lunghezza d'onda della luce laser emessa.

Il laser tradizionale con una lunghezza d'onda di 808 nm è un laser a semiconduttore. L'energia del gap di banda del semiconduttore determina la lunghezza d'onda della luce laser emessa, rendendo 808 nm una lunghezza d'onda operativa relativamente comune. Il laser a semiconduttore da 808 nm è anche uno dei primi e dei più intensamente studiati. La sua regione attiva è costituita da materiali contenenti alluminio (come InAlGaAs) o materiali privi di alluminio (come GaAsP). Questo tipo di laser offre vantaggi quali basso costo, alta efficienza e lunga durata.

1064 nm è anche una lunghezza d'onda classica per i laser a stato solido. Il materiale di lavoro è un cristallo YAG (granato ittrio-alluminio Y3AI5012) drogato con neodimio (Nd). Gli ioni di alluminio nel cristallo YAG interagiscono sinergicamente con i cationi drogati con Nd, creando un'adeguata struttura spaziale e struttura a bande energetiche. Sotto l'azione dell'energia di eccitazione, i cationi Nd vengono eccitati in uno stato eccitato, subendo transizioni radioattive e generando laser. Inoltre, i cristalli Nd:YAG offrono un'eccellente stabilità e una vita operativa relativamente lunga.

I laser da 1550 nm possono anche essere generati utilizzando laser a semiconduttore. I materiali semiconduttori comunemente usati includono InGaAsP, InGaAsN e InGaAlAs.

2. Usi e applicazioni

La banda a infrarossi ha numerose applicazioni, come comunicazioni ottiche, sanità, imaging biomedico, elaborazione laser e altro ancora.

Prendiamo come esempio le comunicazioni ottiche. Le attuali comunicazioni in fibra ottica utilizzano la fibra di quarzo. Per garantire che la luce possa trasportare informazioni su lunghe distanze senza perdite, dobbiamo considerare quali lunghezze d'onda della luce vengono trasmesse meglio attraverso la fibra.

Nella banda del vicino infrarosso, la perdita della normale fibra di quarzo diminuisce con l'aumentare della lunghezza d'onda, esclusi i picchi di assorbimento delle impurità. Esistono tre "finestre" di lunghezze d'onda con perdita molto bassa a 0,85 μm, 1,31 μm e 1,55 μm. La lunghezza d'onda di emissione del laser della sorgente luminosa e la risposta in lunghezza d'onda del fotodiodo del fotorivelatore devono allinearsi con queste tre finestre di lunghezza d'onda. Nello specifico, in condizioni di laboratorio, la perdita a 1,55 μm ha raggiunto 0,1419 dB/km, avvicinandosi al limite di perdita teorico per la fibra di quarzo.

La luce in questo intervallo di lunghezze d'onda può penetrare relativamente bene nei tessuti biologici e trova applicazioni in settori come la terapia fototermica. Ad esempio, Yue et al. hanno costruito nanoparticelle mirate all'eparina-folato utilizzando il colorante cianino nel vicino infrarosso IR780, che ha una lunghezza d'onda di assorbimento massima di circa 780 nm e una lunghezza d'onda di emissione di 807 nm. Ad una concentrazione di 10 mg/ml, l'irradiazione laser (laser da 808 nm, densità di potenza 0,6 W/cm²) per 2 minuti ha aumentato la temperatura da 23°C a 42°C. Una dose di 1,4 mg/kg è stata somministrata a topi portatori di tumori MCF-7 positivi al recettore del folato e i tumori sono stati irradiati con luce laser da 808 nm (0,8 W/cm²) per 5 minuti. Nei giorni successivi è stata osservata una significativa riduzione del tumore.

Altre applicazioni includono il lidar a infrarossi. L'attuale banda di lunghezza d'onda di 905 nm ha deboli capacità di interferenza meteorologica e una penetrazione insufficiente nella pioggia e nella nebbia. La radiazione laser a 1,5 μm rientra nella finestra atmosferica di 1,5–1,8 μm, con conseguente bassa attenuazione nell'aria. Inoltre, 905 nm rientrano nella banda pericolosa per gli occhi, richiedendo una limitazione della potenza per ridurre al minimo i danni. Tuttavia, 1550 nm è sicuro per gli occhi, quindi trova applicazioni anche nel lidar.

In sintesi,lasera queste lunghezze d'onda sono maturi ed economici e mostrano prestazioni eccellenti in varie applicazioni. Questi fattori combinati hanno portato all’uso diffuso dei laser in queste lunghezze d’onda.