古典的な赤外線波長が 808nm、1064nm、1550nm であるのはなぜですか?

1. 光源（レーザー）

の基本コンポーネントレーザポンプ源（作動媒体内で反転分布を達成するためのエネルギーを供給します）。作動媒体（ポンプの作用下で反転分布を可能にし、電子が高エネルギー準位から低準位に遷移し、光子の形でエネルギーを放出できるようにする適切なエネルギー準位構造を有する）。そして共鳴空洞。

作動媒体の特性によって、放射されるレーザー光の波長が決まります。

波長808nmのレーザーは半導体レーザーが主流です。半導体のバンドギャップ エネルギーによって放出されるレーザー光の波長が決まり、808nm が比較的一般的な動作波長となります。 808nm タイプの半導体レーザーも、最も初期に最も集中的に研究されたものの 1 つです。その活性領域は、アルミニウムを含む材料 (InAlGaAs など) またはアルミニウムを含まない材料 (GaAsP など) で構成されます。このタイプのレーザーには、低コスト、高効率、長寿命などの利点があります。

1064nm は固体レーザーの古典的な波長でもあります。作動材料は、ネオジム (Nd) ドープ YAG (イットリウム アルミニウム ガーネット Y3AI5012) 結晶です。 YAG 結晶内のアルミニウム イオンは、Nd をドープした陽イオンと相乗的に相互作用し、適切な空間構造とエネルギー バンド構造を形成します。励起エネルギーの作用下で、Nd カチオンは励起状態に励起され、放射性遷移を起こしてレーザー発振を発生します。さらに、Nd:YAG 結晶は優れた安定性と比較的長い動作寿命を提供します。

1550nm レーザーは、半導体レーザーを使用して生成することもできます。一般的に使用される半導体材料には、InGaAsP、InGaAsN、InGaAlAs などがあります。

2. 用途と応用

赤外線帯域には、光通信、ヘルスケア、生物医学画像処理、レーザー加工など、数多くの用途があります。

光通信を例に考えてみましょう。現在の光ファイバー通信は石英ファイバーを利用しています。光が長距離にわたって損失なく情報を確実に伝送できるようにするには、どの波長の光がファイバーを介して最適に伝送されるかを考慮する必要があります。

近赤外帯域では、不純物の吸収ピークを除いて、通常の石英ファイバの損失は波長の増加とともに減少します。損失が非常に低い 3 つの波長「窓」が 0.85 μm、1.31 μm、および 1.55 μm に存在します。光源レーザーの発光波長と光検出器フォトダイオードの波長応答は、これら 3 つの波長窓と一致している必要があります。具体的には、実験室条件下では、1.55 μm での損失は 0.1419 dB/km に達し、石英ファイバーの理論上の損失限界に近づいています。

この波長範囲の光は生体組織を比較的よく透過することができ、光熱療法などの分野で応用されています。例えば、ユエら。は、約 780 nm の最大吸収波長と 807 nm の発光波長を持つシアニン近赤外色素 IR780 を使用して、ヘパリン葉酸をターゲットとしたナノ粒子を構築しました。濃度 10 mg/mL で 2 分間のレーザー照射 (808 nm レーザー、0.6 W/cm2 出力密度) により、温度が 23°C から 42°C に上昇しました。葉酸受容体陽性 MCF-7 腫瘍を有するマウスに 1.4 mg/kg の用量を投与し、腫瘍に 808 nm レーザー光 (0.8 W/cm2) を 5 分間照射しました。その後数日間にわたって、腫瘍の大幅な縮小が観察されました。

他のアプリケーションには赤外線ライダーなどがあります。現在の 905 nm 波長帯は、天候干渉能力が弱く、雨や霧への浸透が不十分です。 1.5 μm のレーザー放射は 1.5 ～ 1.8 μm の大気窓内に収まるため、空気中での減衰は低くなります。さらに、905 nm は目に危険な帯域内にあるため、損傷を最小限に抑えるために出力を制限する必要があります。ただし、1550 nm は目に安全であるため、ライダーにも応用できます。

要約すれば、レーザーこれらの波長の波長は成熟しており、コスト効率が高く、さまざまな用途で優れたパフォーマンスを発揮します。これらの要因が組み合わされて、これらの波長のレーザーが広く使用されるようになりました。