近赤外～中赤外の波長可変レーザー

異なるスペクトル範囲の定義。

一般的に、赤外線光源について話すとき、それは約 700 ～ 800 nm (可視波長範囲の上限) を超える真空波長を持つ光を指します。

人間の目の赤外線の知覚は崖で遮断されるのではなく徐々に減少するため、特定の波長の下限はこの説明では明確に定義されていません。

たとえば、人間の目に対する 700 nm の光の反応はすでに非常に低いですが、光が十分に強ければ、人間の目は 750 nm を超える波長を持つ一部のレーザー ダイオードが発する光さえ見ることができます。レーザーには安全上のリスクがあります。 --人間の目にはそれほど明るくなくても、実際のパワーは非常に高い可能性があります。

同様に、赤外光源の下限範囲（700～800 nm）と同様に、赤外光源の上限定義範囲も不明です。一般的には1mm程度です。

赤外線帯域の一般的な定義をいくつか示します。

近赤外線スペクトル領域 (IR-A とも呼ばれる)、範囲は約 750 ～ 1400 nm。

この波長領域で発せられるレーザーは、ノイズや人間の目の安全性の問題が発生しやすいです。これは、人間の目の焦点合わせ機能が近赤外線および可視光線の範囲と互換性があり、近赤外線帯域の光源を透過させて焦点を合わせることができるためです。敏感な網膜も同様ですが、近赤外線帯域の光は保護的な瞬き反射を引き起こしません。その結果、人間の目の網膜は、鈍感による過剰なエネルギーによって損傷を受けます。したがって、この帯域の光源を使用する場合は、目の保護に十分な注意を払う必要があります。

短波長赤外線 (SWIR、IR-B) の範囲は 1.4 ～ 3 μm です。

この光は網膜に到達する前に目に吸収されるため、この領域は目にとって比較的安全です。たとえば、光ファイバー通信で使用されるエルビウムドープファイバー増幅器はこの領域で動作します。

中波赤外線 (MWIR) 範囲は 3 ～ 8 μm です。

大気は、その地域の一部で強い吸収を示しています。二酸化炭素 (CO2) や水蒸気 (H2O) など、多くの大気ガスはこの帯域に吸収線を持っています。また、多くのガスがこの帯域で強い吸収を示すため、強い吸収特性により、このスペクトル領域は大気中のガス検出に広く使用されています。

長波赤外線 (LWIR) 範囲は 8 ～ 15 μm です。

次に遠赤外線 (FIR) で、その範囲は 15 μm ～ 1 mm です (ただし、50 μm から始まる定義もあります。ISO 20473 を参照)。このスペクトル領域は主に熱画像処理に使用されます。

この記事は、上記の短波長赤外線 (SWIR、IR-B、1.4 ～ 3 μm の範囲) および中波赤外線 (MWIR、範囲は 3 ～ 8 μm)。

代表的な用途

この帯域の光源の典型的な用途は、微量ガス中のレーザー吸収スペクトルの識別です (例: 医療診断や環境モニタリングにおけるリモート センシング)。ここでの分析では、「分子の指紋」として機能する、中赤外スペクトル領域の多くの分子の強くて特徴的な吸収バンドが利用されます。近赤外領域の汎吸収線を通じてこれらの分子の一部を研究することもできますが、近赤外レーザー光源は準備が簡単であるため、より高い感度で中赤外領域の強力な基本吸収線を使用する利点があります。 。

中赤外イメージングでは、この帯域の光源も使用されます。通常、人々は中赤外光が物質の奥深くまで浸透し、散乱が少ないという事実を利用します。たとえば、対応するハイパースペクトル イメージング アプリケーションでは、近赤外から中赤外までが各ピクセル (またはボクセル) のスペクトル情報を提供できます。

ファイバーレーザーなどの中赤外レーザー源の継続的な開発により、非金属レーザー材料の加工用途はますます実用的になってきています。通常、ポリマーフィルムなどの特定の材料による赤外線の強い吸収を利用して、材料を選択的に除去します。

典型的なケースは、電子および光電子デバイスの電極に使用される酸化インジウムスズ (ITO) 透明導電膜を、選択的レーザーアブレーションによって構造化する必要があることです。別の例としては、光ファイバーのコーティングを正確に剥離することが挙げられます。このような用途でこの帯域に必要な電力レベルは、通常、レーザー切断などの用途に必要な電力レベルよりもはるかに低くなります。

近赤外線から中赤外線の光源は、熱追尾ミサイルに対する指向性赤外線対策のために軍でも使用されています。赤外線カメラの目隠しに適した高出力に加えて、単純なノッチ付きフィルターが赤外線検出器を保護するのを防ぐために、大気透過帯域 (約 3 ～ 4 μm および 8 ～ 13 μm) 内の広いスペクトル範囲も必要です。

上で説明した大気透過窓は、指向性ビームを介した自由空間光通信にも使用でき、量子カスケード レーザーはこの目的の多くの用途に使用されています。

場合によっては、中赤外の超短パルスが必要となります。たとえば、レーザー分光法で中赤外周波数コムを使用したり、レーザー発振のために超短パルスの高いピーク強度を利用したりすることができます。これはモードロックレーザーで生成できます。

特に、近赤外から中赤外の光源については、アプリケーションによっては走査波長や波長可変性について特別な要件が必要となるため、近赤外から中赤外の波長可変レーザーもこれらのアプリケーションで非常に重要な役割を果たします。

たとえば、分光法では、ガス検知、環境モニタリング、化学分析のいずれにおいても、中赤外波長可変レーザーが不可欠なツールです。科学者はレーザーの波長を調整して中赤外線範囲に正確に配置し、特定の分子吸収線を検出します。このようにして、秘密が詰まった暗号書を解読するかのように、物質の組成や特性に関する詳細な情報を得ることができます。

医療画像の分野では、中赤外波長可変レーザーも重要な役割を果たしています。これらは、非侵襲的な診断および画像技術で広く使用されています。レーザーの波長を正確に調整することで、中赤外光が生体組織を透過し、高解像度の画像が得られます。これは、人体の内部の秘密を覗き込む魔法の光のように、病気や異常を検出し、診断するために重要です。

防衛およびセキュリティの分野も、中赤外波長可変レーザーの応用から切り離せません。これらのレーザーは、特に熱追尾ミサイルに対する赤外線対策において重要な役割を果たします。たとえば、指向性赤外線対策システム (DIRCM) は、ミサイルによる追跡や攻撃から航空機を保護できます。これらのシステムはレーザーの波長を素早く調整することで、飛来するミサイルの誘導システムを妨害し、空を守る魔法の剣のように戦闘の流れを瞬時に変えることができます。

リモート センシング技術は地球を観察および監視する重要な手段であり、赤外波長可変レーザーが重要な役割を果たします。環境モニタリング、大気研究、地球観察などの分野はすべて、これらのレーザーの使用に依存しています。中赤外波長可変レーザーを使用すると、科学者は大気中のガスの特定の吸収線を測定できるようになり、自然の謎を洞察する魔法の鏡のように、気候研究、汚染監視、天気予報に役立つ貴重なデータが得られます。

産業環境では、中赤外波長可変レーザーが精密な材料加工に広く使用されています。特定の材料に強く吸収される波長にレーザーを調整することで、選択的なアブレーション、切断、溶接が可能になります。これにより、エレクトロニクス、半導体、マイクロマシニングなどの分野での精密製造が可能になります。中赤外波長可変レーザーは、細かく磨かれた彫刻刀のようなもので、業界で微細な彫刻製品を彫り出し、技術の輝きを示すことができます。