เหตุใดความยาวคลื่นอินฟราเรดแบบคลาสสิกจึงเป็น 808nm, 1064nm และ 1550nm

1. แหล่งกำเนิดแสง (เลเซอร์)

ส่วนประกอบพื้นฐานของกเลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นสามส่วน: แหล่งกำเนิดปั๊ม (ซึ่งให้พลังงานเพื่อให้เกิดการผกผันของประชากรในตัวกลางการทำงาน); ตัวกลางทำงาน (ซึ่งมีโครงสร้างระดับพลังงานที่เหมาะสมที่ช่วยให้ประชากรผกผันภายใต้การทำงานของปั๊ม ทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนจากระดับพลังงานสูงไปสู่ระดับที่ต่ำกว่าและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน) และช่องเสียงสะท้อน

คุณสมบัติของตัวกลางทำงานจะกำหนดความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมา

เลเซอร์กระแสหลักที่มีความยาวคลื่น 808 นาโนเมตรคือเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ พลังงานช่องว่างของแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์จะกำหนดความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมา ทำให้ 808 นาโนเมตรเป็นความยาวคลื่นในการทำงานที่ค่อนข้างปกติ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ชนิด 808 นาโนเมตรยังเป็นหนึ่งในเลเซอร์ชนิดแรกสุดและมีการวิจัยอย่างเข้มข้นที่สุดอีกด้วย บริเวณที่ทำงานประกอบด้วยวัสดุที่มีอะลูมิเนียม (เช่น InAlGaAs) หรือวัสดุที่ปราศจากอะลูมิเนียม (เช่น GaAsP) เลเซอร์ประเภทนี้มีข้อดี เช่น ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพสูง และอายุการใช้งานยาวนาน

1,064 นาโนเมตรยังเป็นความยาวคลื่นคลาสสิกสำหรับเลเซอร์โซลิดสเตตอีกด้วย วัสดุที่ใช้ในการผลิตคือคริสตัล YAG (อะลูมิเนียมโกเมน Y3AI5012) ที่เจือด้วยนีโอไดเมียม (Nd) ไอออนอะลูมิเนียมในคริสตัล YAG มีปฏิกิริยาประสานกันกับแคตไอออนที่เจือด้วย Nd ทำให้เกิดโครงสร้างเชิงพื้นที่และโครงสร้างแถบพลังงานที่เหมาะสม ภายใต้การกระทำของพลังงานกระตุ้น แคตไอออน Nd จะตื่นเต้นในสภาวะตื่นเต้น อยู่ระหว่างการเปลี่ยนผ่านของกัมมันตภาพรังสีและทำให้เกิดเลเซอร์ นอกจากนี้ คริสตัล Nd:YAG ยังมีความเสถียรที่ยอดเยี่ยมและมีอายุการใช้งานที่ค่อนข้างยาวนาน

เลเซอร์ขนาด 1550 นาโนเมตรสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ InGaAsP, InGaAsN และ InGaAlAs

2. การใช้งานและการประยุกต์ใช้งาน

แถบอินฟราเรดมีการใช้งานมากมาย เช่น การสื่อสารด้วยแสง การดูแลสุขภาพ การสร้างภาพชีวการแพทย์ การประมวลผลด้วยเลเซอร์ และอื่นๆ

ใช้การสื่อสารแบบออปติกเป็นตัวอย่าง การสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกในปัจจุบันใช้ไฟเบอร์ควอทซ์ เพื่อให้แน่ใจว่าแสงสามารถส่งข้อมูลไปในระยะทางไกลได้โดยไม่สูญเสีย เราต้องพิจารณาว่าความยาวคลื่นของแสงใดที่ส่งผ่านเส้นใยได้ดีที่สุด

ในแถบอินฟราเรดใกล้ การสูญเสียเส้นใยควอตซ์ธรรมดาจะลดลงตามความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น ไม่รวมยอดการดูดซับสิ่งเจือปน "หน้าต่าง" ความยาวคลื่นสามช่วงที่มีการสูญเสียต่ำมากอยู่ที่ 0.85 μm, 1.31 μm และ 1.55 μm ความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาของเลเซอร์แหล่งกำเนิดแสงและการตอบสนองความยาวคลื่นของโฟโตไดโอดของเครื่องตรวจจับแสงจะต้องสอดคล้องกับหน้าต่างความยาวคลื่นทั้งสามนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ภายใต้สภาวะในห้องปฏิบัติการ การสูญเสียที่ 1.55 μm สูงถึง 0.1419 dB/km ซึ่งเข้าใกล้ขีดจำกัดการสูญเสียตามทฤษฎีสำหรับเส้นใยควอทซ์

แสงในช่วงความยาวคลื่นนี้สามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่อชีวภาพได้ค่อนข้างดี และนำไปใช้งานในด้านต่างๆ เช่น การบำบัดด้วยความร้อนจากแสง ตัวอย่างเช่น Yue และคณะ สร้างอนุภาคนาโนที่เป็นเป้าหมายของเฮปาริน-โฟเลตโดยใช้ไซยานีนสีย้อมอินฟราเรดใกล้ IR780 ซึ่งมีความยาวคลื่นการดูดกลืนแสงสูงสุดประมาณ 780 นาโนเมตร และความยาวคลื่นการปล่อยแสง 807 นาโนเมตร ที่ความเข้มข้น 10 มก./มล. การฉายรังสีด้วยเลเซอร์ (เลเซอร์ 808 นาโนเมตร ความหนาแน่นของพลังงาน 0.6 วัตต์/ซม.²) เป็นเวลา 2 นาที ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 23°C เป็น 42°C ให้ขนาดยา 1.4 มก./กก. แก่หนูที่มีเนื้องอก MCF-7 ที่ให้ผลบวกของตัวรับโฟเลต และเนื้องอกถูกฉายรังสีด้วยแสงเลเซอร์ 808 นาโนเมตร (0.8 วัตต์/ซม.²) เป็นเวลา 5 นาที มีการสังเกตการหดตัวของเนื้องอกอย่างมีนัยสำคัญในช่วงวันต่อมา

การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ อินฟราเรดไลดาร์ แถบความยาวคลื่น 905 นาโนเมตรในปัจจุบันมีความสามารถในการรบกวนสภาพอากาศได้น้อย และทะลุผ่านฝนและหมอกได้ไม่เพียงพอ การแผ่รังสีเลเซอร์ที่ 1.5 μm จะตกอยู่ภายในหน้าต่างบรรยากาศ 1.5–1.8 μm ส่งผลให้อากาศลดทอนลงต่ำ นอกจากนี้ 905 นาโนเมตรยังอยู่ในแถบอันตรายต่อดวงตา ซึ่งจำเป็นต้องมีการจำกัดพลังงานเพื่อลดความเสียหายให้เหลือน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม 1550 นาโนเมตรนั้นปลอดภัยต่อดวงตา ดังนั้นจึงพบการใช้งานในไลดาร์ได้ด้วย

โดยสรุปเลเซอร์ที่ความยาวคลื่นเหล่านี้มีทั้งความสมบูรณ์และคุ้มค่า และแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานต่างๆ ปัจจัยเหล่านี้รวมกันได้นำไปสู่การใช้เลเซอร์อย่างแพร่หลายในช่วงความยาวคลื่นเหล่านี้