Warum sind die klassischen Infrarotwellenlängen 808 nm, 1064 nm und 1550 nm?

1. Lichtquelle (Laser)

Die Grundbestandteile von aLaserkann in drei Teile unterteilt werden: eine Pumpquelle (die Energie liefert, um eine Besetzungsinversion im Arbeitsmedium zu erreichen); ein Arbeitsmedium (das über eine geeignete Energieniveaustruktur verfügt, die eine Besetzungsumkehr unter der Wirkung der Pumpe ermöglicht, wodurch Elektronen von hohen Energieniveaus auf niedrigere Energieniveaus übergehen und Energie in Form von Photonen freisetzen können); und einen Resonanzhohlraum.

Die Eigenschaften des Arbeitsmediums bestimmen die Wellenlänge des emittierten Laserlichts.

Der gängige Laser mit einer Wellenlänge von 808 nm ist ein Halbleiterlaser. Die Bandlückenenergie des Halbleiters bestimmt die Wellenlänge des emittierten Laserlichts, sodass 808 nm eine relativ häufige Betriebswellenlänge ist. Der 808-nm-Halbleiterlaser ist auch einer der frühesten und am intensivsten erforschten. Sein aktiver Bereich besteht entweder aus aluminiumhaltigen Materialien (wie InAlGaAs) oder aluminiumfreien Materialien (wie GaAsP). Dieser Lasertyp bietet Vorteile wie niedrige Kosten, hohe Effizienz und lange Lebensdauer.

1064 nm ist auch eine klassische Wellenlänge für Festkörperlaser. Das Arbeitsmaterial ist ein mit Neodym (Nd) dotierter YAG-Kristall (Yttrium-Aluminium-Granat Y3AI5012). Die Aluminiumionen im YAG-Kristall interagieren synergistisch mit den Nd-dotierten Kationen und erzeugen so eine geeignete räumliche Struktur und Energiebandstruktur. Unter Einwirkung der Anregungsenergie werden die Nd-Kationen in einen angeregten Zustand angeregt, durchlaufen radioaktive Übergänge und erzeugen Laserstrahlung. Darüber hinaus bieten Nd:YAG-Kristalle eine hervorragende Stabilität und eine relativ lange Lebensdauer.

1550-nm-Laser können auch mit Halbleiterlasern erzeugt werden. Zu den häufig verwendeten Halbleitermaterialien gehören InGaAsP, InGaAsN und InGaAlAs.

2. Verwendungen und Anwendungen

Das Infrarotband hat zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der optischen Kommunikation, im Gesundheitswesen, in der biomedizinischen Bildgebung, bei der Laserbearbeitung und mehr.

Nehmen wir als Beispiel die optische Kommunikation. Aktuelle Glasfaserkommunikationen nutzen Quarzfasern. Um sicherzustellen, dass Licht Informationen verlustfrei über große Entfernungen transportieren kann, müssen wir überlegen, welche Lichtwellenlängen am besten durch die Faser übertragen werden.

Im Nahinfrarotband nimmt der Verlust gewöhnlicher Quarzfasern mit zunehmender Wellenlänge ab, wobei Absorptionsspitzen für Verunreinigungen ausgeschlossen sind. Es gibt drei Wellenlängenfenster mit sehr geringem Verlust bei 0,85 μm, 1,31 μm und 1,55 μm. Die Emissionswellenlänge des Lichtquellenlasers und die Wellenlängenreaktion der Fotodetektor-Fotodiode müssen mit diesen drei Wellenlängenfenstern übereinstimmen. Konkret erreichte der Verlust bei 1,55 μm unter Laborbedingungen 0,1419 dB/km und näherte sich damit der theoretischen Verlustgrenze für Quarzfasern.

Licht in diesem Wellenlängenbereich kann relativ gut in biologisches Gewebe eindringen und findet Anwendung in Bereichen wie der photothermischen Therapie. Beispielsweise haben Yue et al. konstruierten Heparin-Folat-zielgerichtete Nanopartikel unter Verwendung des Cyanin-Nahinfrarotfarbstoffs IR780, der eine maximale Absorptionswellenlänge von etwa 780 nm und eine Emissionswellenlänge von 807 nm aufweist. Bei einer Konzentration von 10 mg/ml erhöhte eine zweiminütige Laserbestrahlung (808-nm-Laser, 0,6 W/cm² Leistungsdichte) die Temperatur von 23 °C auf 42 °C. Mäusen mit Folatrezeptor-positiven MCF-7-Tumoren wurde eine Dosis von 1,4 mg/kg verabreicht, und die Tumore wurden 5 Minuten lang mit 808-nm-Laserlicht (0,8 W/cm²) bestrahlt. In den folgenden Tagen wurde eine deutliche Schrumpfung des Tumors beobachtet.

Weitere Anwendungen sind Infrarot-Lidar. Das aktuelle 905-nm-Wellenlängenband weist geringe Wetterinterferenzfähigkeiten und eine unzureichende Durchdringung bei Regen und Nebel auf. Laserstrahlung mit 1,5 μm fällt in das atmosphärische Fenster von 1,5–1,8 μm, was zu einer geringen Dämpfung in der Luft führt. Darüber hinaus liegt 905 nm im für die Augen gefährlichen Bereich und erfordert eine Leistungsbegrenzung, um Schäden zu minimieren. Allerdings ist 1550 nm augensicher und findet daher auch Anwendung im Lidar.

Zusammenfassend:Laserbei diesen Wellenlängen sind sowohl ausgereift als auch kostengünstig und weisen in verschiedenen Anwendungen eine hervorragende Leistung auf. Diese Faktoren zusammen haben zur weit verbreiteten Verwendung von Lasern in diesen Wellenlängen geführt.