Abstimmbare Laser im nahen bis mittleren Infrarotbereich

Unterschiedliche Definitionen des Spektralbereichs.

Wenn man von Infrarotlichtquellen spricht, meint man im Allgemeinen Licht mit Vakuumwellenlängen von mehr als ~700–800 nm (der Obergrenze des sichtbaren Wellenlängenbereichs).

Die spezifische Untergrenze der Wellenlänge ist in dieser Beschreibung nicht klar definiert, da die Infrarotwahrnehmung des menschlichen Auges langsam abnimmt und nicht an einer Klippe abbricht.

Beispielsweise ist die Reaktion von Licht bei 700 nm auf das menschliche Auge bereits sehr gering, aber wenn das Licht stark genug ist, kann das menschliche Auge sogar das von einigen Laserdioden mit Wellenlängen über 750 nm emittierte Licht sehen, das auch Infrarot erzeugt Laser stellen ein Sicherheitsrisiko dar. – Auch wenn es für das menschliche Auge nicht sehr hell ist, kann seine tatsächliche Leistung sehr hoch sein.

Ebenso wie der untere Grenzbereich der Infrarotlichtquelle (700–800 nm) ist auch der obere Grenzdefinitionsbereich der Infrarotlichtquelle unsicher. Im Allgemeinen beträgt sie etwa 1 mm.

Hier sind einige gängige Definitionen des Infrarotbandes:

Nahinfrarot-Spektralbereich (auch IR-A genannt), Bereich ~750–1400 nm.

Laser, die in diesem Wellenlängenbereich emittiert werden, sind anfällig für Lärm und stellen Probleme für die Sicherheit des menschlichen Auges dar, da die Fokussierungsfunktion des menschlichen Auges mit den Bereichen des nahen Infrarot- und sichtbaren Lichts kompatibel ist, so dass die Nahinfrarot-Bandlichtquelle übertragen und fokussiert werden kann empfindliche Netzhaut auf die gleiche Weise, aber das Nahinfrarot-Bandlicht löst nicht den schützenden Blinzelreflex aus. Dadurch wird die Netzhaut des menschlichen Auges durch übermäßige Energie aufgrund von Unempfindlichkeit geschädigt. Daher muss bei der Verwendung von Lichtquellen in diesem Bereich unbedingt auf den Augenschutz geachtet werden.

Kurzwelliges Infrarot (SWIR, IR-B) liegt im Bereich von 1,4–3 μm.

Dieser Bereich ist für die Augen relativ ungefährlich, da dieses Licht vom Auge absorbiert wird, bevor es die Netzhaut erreicht. In dieser Region sind beispielsweise mit Erbium dotierte Faserverstärker in Betrieb, die in der Glasfaserkommunikation eingesetzt werden.

Der Mittelwellen-Infrarotbereich (MWIR) beträgt 3–8 μm.

Die Atmosphäre weist in Teilen der Region eine starke Absorption auf; Viele atmosphärische Gase weisen in diesem Band Absorptionslinien auf, beispielsweise Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Da viele Gase in diesem Band eine starke Absorption aufweisen, wird dieser Spektralbereich aufgrund seiner starken Absorptionseigenschaften häufig für die Gasdetektion in der Atmosphäre verwendet.

Der Bereich des langwelligen Infrarots (LWIR) beträgt 8–15 μm.

Als nächstes kommt das ferne Infrarot (FIR), das von 15 μm bis 1 mm reicht (es gibt aber auch Definitionen ab 50 μm, siehe ISO 20473). Dieser Spektralbereich wird hauptsächlich für die Wärmebildaufnahme genutzt.

Ziel dieses Artikels ist es, die Auswahl breitbandiger Laser mit abstimmbarer Wellenlänge und Lichtquellen im nahen bis mittleren Infrarotbereich zu diskutieren, zu denen das oben genannte kurzwellige Infrarot (SWIR, IR-B, im Bereich von 1,4–3 μm) und ein Teil davon gehören können Mittelwellen-Infrarot (MWIR, Bereich 3–8 μm).

Typische Anwendung

Eine typische Anwendung von Lichtquellen in diesem Band ist die Identifizierung von Laserabsorptionsspektren in Spurengasen (z. B. Fernerkundung in der medizinischen Diagnose und Umweltüberwachung). Dabei nutzt die Analyse die starken und charakteristischen Absorptionsbanden vieler Moleküle im mittleren Infrarot-Spektralbereich aus, die als „molekulare Fingerabdrücke“ dienen. Obwohl man einige dieser Moleküle auch über Pan-Absorptionslinien im nahen Infrarotbereich untersuchen kann, bietet die Verwendung starker fundamentaler Absorptionslinien im mittleren Infrarotbereich Vorteile mit höherer Empfindlichkeit, da Nahinfrarot-Laserquellen einfacher herzustellen sind .

Bei der Bildgebung im mittleren Infrarot werden auch Lichtquellen in diesem Band verwendet. Menschen machen sich in der Regel die Tatsache zunutze, dass Licht im mittleren Infrarotbereich tiefer in Materialien eindringen kann und weniger Streuung aufweist. Beispielsweise können in entsprechenden hyperspektralen Bildgebungsanwendungen Nahinfrarot- bis Mittelinfrarot-Spektralinformationen für jedes Pixel (oder Voxel) bereitgestellt werden.

Aufgrund der kontinuierlichen Entwicklung von Laserquellen im mittleren Infrarotbereich, wie z. B. Faserlasern, werden Anwendungen zur Bearbeitung nichtmetallischer Lasermaterialien immer praktischer. Typischerweise nutzen Menschen die starke Absorption von Infrarotlicht durch bestimmte Materialien, wie z. B. Polymerfolien, um Materialien selektiv zu entfernen.

Ein typischer Fall ist, dass transparente leitfähige Filme aus Indiumzinnoxid (ITO), die für Elektroden in elektronischen und optoelektronischen Geräten verwendet werden, durch selektive Laserablation strukturiert werden müssen. Ein weiteres Beispiel ist das präzise Ablösen von Beschichtungen auf optischen Fasern. Die in diesem Band für solche Anwendungen erforderlichen Leistungspegel sind typischerweise viel niedriger als die, die für Anwendungen wie Laserschneiden erforderlich sind.

Nahinfrarot- bis Mittelinfrarot-Lichtquellen werden vom Militär auch für gerichtete Infrarot-Gegenmaßnahmen gegen wärmesuchende Raketen eingesetzt. Neben einer höheren Ausgangsleistung, die für die Blendung von Infrarotkameras geeignet ist, ist auch eine breite spektrale Abdeckung innerhalb des atmosphärischen Transmissionsbandes (ca. 3–4 μm und 8–13 μm) erforderlich, um zu verhindern, dass einfache Kerbfilter Infrarotdetektoren schützen.

Das oben beschriebene atmosphärische Übertragungsfenster kann auch für die optische Freiraumkommunikation über gerichtete Strahlen verwendet werden, und Quantenkaskadenlaser werden in vielen Anwendungen zu diesem Zweck eingesetzt.

In einigen Fällen sind ultrakurze Impulse im mittleren Infrarot erforderlich. Beispielsweise könnten Kämme im mittleren Infrarotbereich in der Laserspektroskopie eingesetzt werden oder die hohen Spitzenintensitäten ultrakurzer Pulse für den Laserbetrieb genutzt werden. Dies kann mit einem modengekoppelten Laser erzeugt werden.

Insbesondere für Lichtquellen im nahen bis mittleren Infrarotbereich stellen einige Anwendungen besondere Anforderungen an die Abtastwellenlänge oder die Wellenlängenabstimmbarkeit, und auch abstimmbare Laser im nahen bis mittleren Infrarotbereich spielen bei diesen Anwendungen eine äußerst wichtige Rolle.

In der Spektroskopie beispielsweise sind abstimmbare Laser im mittleren Infrarotbereich unverzichtbare Werkzeuge, sei es bei der Gaserkennung, der Umweltüberwachung oder der chemischen Analyse. Wissenschaftler passen die Wellenlänge des Lasers an, um ihn präzise im mittleren Infrarotbereich zu positionieren, um spezifische molekulare Absorptionslinien zu erkennen. Auf diese Weise können sie detaillierte Informationen über die Zusammensetzung und Eigenschaften von Materie erhalten, als würden sie ein Codebuch voller Geheimnisse knacken.

Im Bereich der medizinischen Bildgebung spielen abstimmbare Laser im mittleren Infrarotbereich ebenfalls eine wichtige Rolle. Sie werden häufig in nicht-invasiven Diagnose- und Bildgebungstechnologien eingesetzt. Durch die präzise Abstimmung der Wellenlänge des Lasers kann Licht im mittleren Infrarotbereich biologisches Gewebe durchdringen, was zu hochauflösenden Bildern führt. Dies ist wichtig für die Erkennung und Diagnose von Krankheiten und Anomalien, wie ein magisches Licht, das in die inneren Geheimnisse des menschlichen Körpers blickt.

Auch der Bereich Verteidigung und Sicherheit ist untrennbar mit der Anwendung abstimmbarer Laser im mittleren Infrarot verbunden. Diese Laser spielen eine Schlüsselrolle bei Infrarot-Gegenmaßnahmen, insbesondere gegen wärmesuchende Raketen. Beispielsweise kann das Directional Infrarot Countermeasures System (DIRCM) Flugzeuge davor schützen, von Raketen verfolgt und angegriffen zu werden. Durch die schnelle Anpassung der Wellenlänge des Lasers können diese Systeme das Leitsystem ankommender Raketen stören und den Ausgang der Schlacht sofort wenden, wie ein magisches Schwert, das den Himmel bewacht.

Die Fernerkundungstechnologie ist ein wichtiges Mittel zur Beobachtung und Überwachung der Erde, wobei abstimmbare Infrarotlaser eine Schlüsselrolle spielen. Bereiche wie Umweltüberwachung, Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung sind alle auf den Einsatz dieser Laser angewiesen. Abstimmbare Laser im mittleren Infrarotbereich ermöglichen Wissenschaftlern die Messung spezifischer Absorptionslinien von Gasen in der Atmosphäre und liefern wertvolle Daten für die Klimaforschung, die Überwachung der Umweltverschmutzung und die Wettervorhersage – wie ein Zauberspiegel, der Einblicke in die Geheimnisse der Natur gewährt.

In industriellen Umgebungen werden abstimmbare Laser im mittleren Infrarotbereich häufig für die präzise Materialbearbeitung eingesetzt. Indem sie Laser auf Wellenlängen abstimmen, die von bestimmten Materialien stark absorbiert werden, ermöglichen sie selektives Abtragen, Schneiden oder Schweißen. Dies ermöglicht eine Präzisionsfertigung in Bereichen wie Elektronik, Halbleiter und Mikrobearbeitung. Der abstimmbare Laser im mittleren Infrarotbereich ist wie ein fein poliertes Tranchiermesser und ermöglicht es der Industrie, fein geschnitzte Produkte herzustellen und die Brillanz der Technologie zu demonstrieren.