เลเซอร์แบบปรับได้ช่วงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง

คำจำกัดความช่วงสเปกตรัมที่แตกต่างกัน

โดยทั่วไปแล้ว เมื่อผู้คนพูดถึงแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด พวกเขาหมายถึงแสงที่มีความยาวคลื่นสุญญากาศมากกว่า ~700–800 นาโนเมตร (ขีดจำกัดด้านบนของช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้)

ขีดจำกัดล่างของความยาวคลื่นจำเพาะไม่ได้กำหนดไว้อย่างชัดเจนในคำอธิบายนี้ เนื่องจากการรับรู้อินฟราเรดของสายตามนุษย์จะค่อยๆ ลดลงแทนที่จะตัดไปที่หน้าผา

เช่น การตอบสนองของแสงที่ 700 นาโนเมตรต่อดวงตามนุษย์นั้นต่ำมากอยู่แล้ว แต่ถ้าแสงแรงพอ ดวงตาของมนุษย์ก็สามารถมองเห็นแสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ไดโอดบางตัวที่มีความยาวคลื่นเกิน 750 นาโนเมตร ซึ่งทำให้อินฟราเรดได้เช่นกัน เลเซอร์มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย --แม้ว่าดวงตาของมนุษย์จะไม่สว่างมากนัก แต่พลังที่แท้จริงของมันก็อาจสูงมาก

ในทำนองเดียวกัน เช่นเดียวกับช่วงขีดจำกัดล่างของแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด (700~800 นาโนเมตร) ช่วงการกำหนดขีดจำกัดด้านบนของแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดก็ไม่แน่นอนเช่นกัน โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1 มม.

ต่อไปนี้เป็นคำจำกัดความทั่วไปของแถบอินฟราเรด:

บริเวณสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ (เรียกอีกอย่างว่า IR-A) อยู่ในช่วง ~750-1400 นาโนเมตร

เลเซอร์ที่ปล่อยออกมาในบริเวณความยาวคลื่นนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาทางเสียงและความปลอดภัยของดวงตา เนื่องจากฟังก์ชันการโฟกัสด้วยดวงตาของมนุษย์นั้นเข้ากันได้กับช่วงแสงอินฟราเรดใกล้และช่วงแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้นแหล่งกำเนิดแสงแถบอินฟราเรดใกล้จึงสามารถส่งและโฟกัสไปที่ จอประสาทตาที่ไวต่อแสงในลักษณะเดียวกัน แต่แสงแถบอินฟราเรดใกล้จะไม่กระตุ้นการสะท้อนการกะพริบตาแบบป้องกัน ส่งผลให้เรตินาของดวงตามนุษย์ได้รับความเสียหายจากพลังงานที่มากเกินไปเนื่องจากความไม่รู้สึกตัว ดังนั้นเมื่อใช้แหล่งกำเนิดแสงในกลุ่มนี้ จะต้องให้ความใส่ใจอย่างเต็มที่กับการปกป้องดวงตา

อินฟราเรดความยาวคลื่นสั้น (SWIR, IR-B) อยู่ในช่วง 1.4-3 μm

บริเวณนี้ค่อนข้างปลอดภัยสำหรับดวงตาเพราะแสงนี้ถูกดวงตาดูดกลืนก่อนที่จะถึงเรตินา ตัวอย่างเช่น เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียมที่ใช้ในการสื่อสารใยแก้วนำแสงทำงานในภูมิภาคนี้

ช่วงอินฟราเรดคลื่นกลาง (MWIR) อยู่ที่ 3-8 μm

บรรยากาศมีการดูดซึมอย่างรุนแรงในบางส่วนของภูมิภาค ก๊าซในชั้นบรรยากาศหลายชนิดจะมีเส้นดูดซับในย่านนี้ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไอน้ำ (H2O) นอกจากนี้ เนื่องจากก๊าซหลายชนิดมีการดูดกลืนแสงสูงในช่วงนี้ ลักษณะการดูดกลืนแสงที่แข็งแกร่ง ทำให้บริเวณสเปกตรัมนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจจับก๊าซในชั้นบรรยากาศ

ช่วงอินฟราเรดคลื่นยาว (LWIR) อยู่ที่ 8-15 μm

ต่อไปคือฟาร์อินฟราเรด (FIR) ซึ่งมีช่วงตั้งแต่ 15 μm-1 มม. (แต่ยังมีคำจำกัดความเริ่มต้นที่ 50 μm ดู ISO 20473) บริเวณสเปกตรัมนี้ใช้สำหรับการถ่ายภาพความร้อนเป็นหลัก

บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อหารือเกี่ยวกับการเลือกเลเซอร์ความยาวคลื่นที่ปรับได้บรอดแบนด์ที่มีแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง ซึ่งอาจรวมถึงอินฟราเรดความยาวคลื่นสั้นข้างต้น (SWIR, IR-B ตั้งแต่ 1.4-3 μm) และส่วนหนึ่งของ อินฟราเรดคลื่นกลาง (MWIR อยู่ในช่วง 3-8 μm)

การใช้งานทั่วไป

การใช้งานแหล่งกำเนิดแสงในย่านความถี่นี้โดยทั่วไปคือการระบุสเปกตรัมการดูดกลืนแสงเลเซอร์ในก๊าซติดตาม (เช่น การสำรวจระยะไกลในการวินิจฉัยทางการแพทย์และการตรวจสอบสภาพแวดล้อม) ในที่นี้ การวิเคราะห์ใช้ประโยชน์จากแถบการดูดกลืนแสงที่แข็งแกร่งและมีลักษณะเฉพาะของโมเลกุลจำนวนมากในบริเวณสเปกตรัมอินฟราเรดตอนกลาง ซึ่งทำหน้าที่เป็น "ลายนิ้วมือระดับโมเลกุล" แม้ว่าเราจะสามารถศึกษาโมเลกุลเหล่านี้บางส่วนผ่านเส้นการดูดกลืนแสงแบบแพนในบริเวณใกล้อินฟราเรดได้ เนื่องจากแหล่งเลเซอร์อินฟราเรดใกล้เตรียมได้ง่ายกว่า การใช้เส้นดูดกลืนแสงพื้นฐานที่แข็งแกร่งในบริเวณอินฟราเรดกลางที่มีความไวสูงกว่าก็มีข้อดี .

ในการถ่ายภาพอินฟราเรดช่วงกลาง จะใช้แหล่งกำเนิดแสงในย่านความถี่นี้ด้วย ผู้คนมักจะใช้ประโยชน์จากความจริงที่ว่าแสงอินฟราเรดช่วงกลางสามารถทะลุเข้าไปในวัสดุได้ลึกกว่าและมีการกระเจิงน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น ในแอปพลิเคชันการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมที่สอดคล้องกัน อินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางสามารถให้ข้อมูลสเปกตรัมสำหรับแต่ละพิกเซล (หรือว็อกเซล)

เนื่องจากการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดเลเซอร์อินฟราเรดระดับกลาง เช่น เลเซอร์ไฟเบอร์ การใช้งานการประมวลผลวัสดุเลเซอร์ที่ไม่ใช่โลหะจึงเริ่มใช้งานได้จริงมากขึ้นเรื่อยๆ โดยทั่วไปแล้ว ผู้คนใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนแสงอินฟราเรดที่รุนแรงด้วยวัสดุบางชนิด เช่น ฟิล์มโพลีเมอร์ เพื่อคัดแยกวัสดุออก

กรณีทั่วไปคือฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งใสของอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ที่ใช้สำหรับอิเล็กโทรดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องมีโครงสร้างโดยการจี้ทำลายด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร อีกตัวอย่างหนึ่งคือการลอกชั้นเคลือบบนเส้นใยแก้วนำแสงอย่างแม่นยำ ระดับพลังงานที่ต้องการในย่านความถี่นี้สำหรับการใช้งานดังกล่าวโดยทั่วไปจะต่ำกว่าระดับพลังงานที่จำเป็นสำหรับการใช้งาน เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ มาก

กองทัพยังใช้แหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางเพื่อตอบโต้ขีปนาวุธตรวจจับความร้อนด้วยอินฟราเรดแบบกำหนดทิศทาง นอกจากกำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้นซึ่งเหมาะสำหรับกล้องอินฟราเรดที่มองไม่เห็นแล้ว ยังจำเป็นต้องมีการครอบคลุมสเปกตรัมกว้างภายในแถบการส่งผ่านบรรยากาศ (ประมาณ 3-4 μm และ 8-13 μm) อีกด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวกรองที่มีรอยบากธรรมดาปกป้องเครื่องตรวจจับอินฟราเรด

หน้าต่างส่งสัญญาณบรรยากาศที่อธิบายไว้ข้างต้นยังสามารถใช้สำหรับการสื่อสารด้วยแสงในพื้นที่ว่างผ่านลำแสงทิศทาง และเลเซอร์ควอนตัมคาสเคดถูกนำมาใช้ในการใช้งานหลายอย่างเพื่อจุดประสงค์นี้

ในบางกรณี จำเป็นต้องใช้พัลส์ระยะสั้นเกินขีดกลางอินฟราเรด ตัวอย่างเช่น เราสามารถใช้หวีความถี่อินฟราเรดกลางในเลเซอร์สเปกโทรสโกปี หรือใช้ประโยชน์จากความเข้มสูงสุดที่สูงของพัลส์ที่สั้นเกินขีดสำหรับการเลเซอร์ ซึ่งสามารถสร้างได้ด้วยเลเซอร์ที่ล็อคโหมด

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลาง แอปพลิเคชันบางตัวมีข้อกำหนดพิเศษสำหรับการสแกนความยาวคลื่นหรือความสามารถในการปรับความยาวคลื่น และเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้อินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดกลางก็มีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชันเหล่านี้เช่นกัน

ตัวอย่างเช่น ในสเปกโทรสโกปี เลเซอร์ที่ปรับค่าได้อินฟราเรดกลางเป็นเครื่องมือสำคัญ ไม่ว่าจะในการตรวจจับก๊าซ การตรวจสอบสภาพแวดล้อม หรือการวิเคราะห์ทางเคมี นักวิทยาศาสตร์ปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์เพื่อวางตำแหน่งเลเซอร์ในช่วงอินฟราเรดกลางอย่างแม่นยำ เพื่อตรวจจับเส้นการดูดกลืนแสงของโมเลกุลโดยเฉพาะ ด้วยวิธีนี้ พวกเขาสามารถรับข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบและคุณสมบัติของสสาร เช่น การถอดรหัสสมุดโค้ดที่เต็มไปด้วยความลับ

ในด้านการถ่ายภาพทางการแพทย์ เลเซอร์แบบปรับแสงอินฟราเรดกลางก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการวินิจฉัยและการถ่ายภาพแบบไม่รุกราน ด้วยการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์อย่างแม่นยำ แสงอินฟราเรดช่วงกลางจึงสามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่อชีวภาพได้ ส่งผลให้ได้ภาพที่มีความละเอียดสูง นี่เป็นสิ่งสำคัญในการตรวจจับและวินิจฉัยโรคและความผิดปกติ เช่น แสงวิเศษที่ส่องเข้าไปในความลับภายในของร่างกายมนุษย์

ด้านการป้องกันและความปลอดภัยยังแยกออกจากการใช้เลเซอร์ที่ปรับค่าได้ช่วงอินฟราเรดช่วงกลาง เลเซอร์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในมาตรการตอบโต้ด้วยอินฟราเรด โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับขีปนาวุธที่แสวงหาความร้อน ตัวอย่างเช่น ระบบตอบโต้ด้วยอินฟราเรดทิศทาง (DIRCM) สามารถป้องกันเครื่องบินจากการถูกติดตามและโจมตีด้วยขีปนาวุธ ด้วยการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์อย่างรวดเร็ว ระบบเหล่านี้สามารถรบกวนระบบนำทางของขีปนาวุธที่เข้ามาและพลิกกระแสการต่อสู้ในทันทีราวกับดาบวิเศษปกป้องท้องฟ้า

เทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลเป็นวิธีการสำคัญในการสังเกตและติดตามโลก ซึ่งเลเซอร์อินฟราเรดที่ปรับได้มีบทบาทสำคัญ ในด้านต่างๆ เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การวิจัยบรรยากาศ และการสังเกตโลก ล้วนแต่อาศัยการใช้เลเซอร์เหล่านี้ เลเซอร์แบบปรับได้อินฟราเรดกลางช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดเส้นการดูดซับเฉพาะของก๊าซในชั้นบรรยากาศ โดยให้ข้อมูลอันมีค่าเพื่อช่วยในการวิจัยสภาพภูมิอากาศ การติดตามมลพิษ และการพยากรณ์อากาศ เช่น กระจกวิเศษที่ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความลึกลับของธรรมชาติ

ในอุตสาหกรรม เลเซอร์แบบปรับได้อินฟราเรดกลางถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลวัสดุที่มีความแม่นยำ ด้วยการปรับเลเซอร์ให้มีความยาวคลื่นที่ถูกดูดซับอย่างแรงโดยวัสดุบางชนิด เลเซอร์เหล่านี้จึงสามารถเลือกการระเหย การตัด หรือการเชื่อมได้ ช่วยให้สามารถผลิตได้อย่างแม่นยำในด้านต่างๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์ และไมโครแมชชีนนิ่ง เลเซอร์ที่ปรับแสงอินฟราเรดได้ระดับกลางเปรียบเสมือนมีดแกะสลักขัดเงาอย่างประณีต ช่วยให้อุตสาหกรรมสามารถแกะสลักผลิตภัณฑ์ที่แกะสลักอย่างประณีต และแสดงให้เห็นถึงความฉลาดของเทคโนโลยี