Kennen Sie Festkörperlaser im mittleren Infrarotbereich? (Teil 1)

Mittleres Infrarotbandbezieht sich auf ein bestimmtes Band im Infrarotwellenlängenbereich. Aufgrund unterschiedlicher Anwendungsanforderungen hat der Bereich der mittleren Infrarotwellenlänge in verschiedenen Anwendungsbereichen unterschiedliche Definitionen. Die International Lighting Association definiert mittleres Infrarot als 3-1000μm; Im Militär allgemein auf 3-5 μm begrenzt; Im Bereich der Lasertechnologie bezieht sich der mittlere Infrarot-Laserwellenlängenbereich im Allgemeinen auf ein 2-5 μm-Band.

(1) Weltraumkommunikation

Das mittlere Infrarotband liegt im Absorptionsfenster der Atmosphäre. Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, liegt die Durchlässigkeit der meisten Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich bei über 60 Prozent, bei einigen sogar bei 90 Prozent und bei einigen wenigen Wellenlängen ist sie aufgrund der Absorption und Durchlässigkeit sehr niedrig von CO2-, H2O- und O3-Molekülen. Daher kann der Mittelinfrarotlaser eine Übertragung über große Entfernungen in der Atmosphäre ermöglichen und hat ein breites Anwendungsspektrum in der Fernerkundung, Detektion und anderen Bereichen.

Das mittlere Infrarotband von 3-5 μm ist das Fenster mit geringem Verlust, schwacher Turbulenz und schwachem Hintergrundrauschen der Atmosphäre, das den Einfluss atmosphärischer Kanäle gut überwinden kann und das ideale Band für Langstreckenlaser ist Kommunikation im Raum.

Die zu übertragenden Hochgeschwindigkeitsdaten werden codiert und von der Laserquelle im mittleren Infrarot auf den optischen Träger geladen, um das Lasersignal im mittleren Infrarot zu bilden, und dann durch die optische Leistung und die Sendeantenne verstärkt, um den Strahl aufzuweiten. Der Zweck der Strahlaufweitung besteht darin, den Divergenzwinkel des Strahls zu komprimieren und den Divergenzverlust des Laserstrahls in der Atmosphäre zu verringern und ihn dann über den atmosphärischen Kanal zum Empfangsende zu übertragen. Es wird von der Empfangsantenne gesendet und vom mittleren Infrarot-Fotodetektor umgewandelt und schließlich von der Datenverarbeitungseinheit wie dem Zeilendecoder verarbeitet, wodurch die ursprünglichen Hochgeschwindigkeitsdaten erhalten werden.

(2) Medizinische Anwendungen

Wassermoleküle sind ein wichtiger Bestandteil des biologischen Gewebes (das Wasserabsorptionsspektrum ist in Abbildung 3 dargestellt). Die thermische Wirkung von Wassermolekülen auf die intensive Absorption des 1,{2}}μm-Lasers kann eine schnelle Blutstillung erreichen und die Schädigung des menschlichen Gewebes während der Operation reduzieren. Daher werden Laser dieses Bandes in der klinischen Chirurgie häufig eingesetzt.

Zu den Fällen, die in der klinischen Chirurgie eingesetzt wurden, gehören die Resektion von gutartigen und bösartigen Tumoren wie Angiokeratomen und Hirntumoren, Nasenoperationen wie Nasenpolypen, follikuläre Hyperplasie der hinteren Rachenwand, Hypertrophie der unteren Nasenmuschel, Endometriumtransposition und Drüsenzystitis , Prostatahypertrophie, Lithotripsie, Laser-Myokardperforation, Gelenksynoviektomie, Gelenkzysten- und andere Weichteilresektionen sowie die Behandlung von Arthrose usw.

Diese medizinische Methode hat den Vorteil, dass es weniger oder gar keine Blutungen gibt, keine Tamponade erforderlich ist, kleine Verletzungen auftreten, die verletzte Oberfläche schnell verheilt und eine einfache chirurgische Methode ist.

(3) Militärische Anwendungen

Die gerichtete Infrarot-Störtechnologie ist eine Art aktive Infrarot-Störtechnologie. Nachdem der Laserstrahl ein bestimmtes Strahlausdehnungsverhältnis erreicht hat und sich eine Rakete nähert, wird das Ortungsgerät verwendet, um die Störenergie in die Richtung der ankommenden Rakete zu lenken, wodurch verursacht wird dass der Raketensucher scheitert und vom Ziel abweicht.

Das United States Naval Laboratory hat erfolgreich das Multiband Anti-ship Tactical Electronic Warfare System (MATES) für das Integrated Electronic Warfare System (AIEWS) entwickelt, das eine Lichtquelle hauptsächlich im Spektralbereich des mittleren Infrarot- und Fernwellenbereichs verwendet. Infrarot-Lasergeräte.

(4) Industrielle Verarbeitung

Transparente Kunststoffe haben eine geringe Absorption im 1-μm-Band, während die meisten organischen Materialien eine ausreichende Absorption von 2 μm haben, sodass sie direkt beim Schneiden, Schweißen, Gravieren und anderen Verarbeitungsbereichen transparenter Materialien verwendet werden können. Mit der zunehmenden Beliebtheit der Laser-3D-Drucktechnologie wird sich die 3D-Druck-Herstellung transparenter organischer Materialien schneller entwickeln.

(5) Gasüberwachung

Das mittlere Infrarotband konzentriert die Absorptionslinien einer großen Anzahl von Gasmolekülen und seine Absorptionsintensität ist 2-3-mal stärker als die des nahen Infrarotbandes. Daher hat der Laser im mittleren Infrarotbereich einen breiten zivilen Wert im Bereich der Spurengasdetektion. Da die Absorptionspeaks von CO2, CH4 und C2H6 in den Bändern von 2,8 μm, 3,2 μm bzw. 3,3 μm liegen, kann der kontinuierliche Laser im mittleren Infrarotbereich in der molekularen Spektroskopie eingesetzt werden, um die Empfindlichkeit der Spurengasüberwachung zu verbessern.

Technologie zur Erzeugung von Festkörperlasern im mittleren Infrarotbereich

Für die Festkörperlasertechnologie können die Erzeugungsmethoden des mittleren Infrarotbandes in die Direktemission dotierter Ionen und die nichtlineare Konversionstechnologie unterteilt werden.

Die direkte Emission dotierter Ionen ist die Emission von Photonen im mittleren Infrarotbereich durch den Energieniveauübergang von Ionen. Zu den üblichen Festkörperaktivatoren gehören Seltenerdionen (Tm3 plus, Ho3 plus, Er3 plus usw.) und Übergangsmetallionen (Fe2 plus, Cr2 plus usw.).

Zu den nichtlinearen Frequenzumwandlungstechniken gehören Differenzfrequenz, optische parametrische Oszillation und stimulierte Raman-Streuung, die hauptsächlich durch die Eigenschaften nichtlinearer Kristalle bestimmt werden.

(1) Thulium-dotierter Festkörperlaser

Das Emissionsband des Thuliumlasers liegt am Absorptionspeak von Wassermolekülen (1,92-1,94 μm), daher ist der Thuliumlaser ein vielversprechender medizinischer Laser mit hoher Effizienz und geringer thermischer Schädigung bei der Anwendung in der Chirurgie. Darüber hinaus können Thulium-dotierte Laser als Pumpquellen für Holmium-dotierte Lasersysteme und parametrische Laser im mittleren Infrarotbereich verwendet werden.

Der Absorptionspeak von Thulium-dotierten Materialien liegt bei etwa 790 nm, was für das Halbleiterpumpen geeignet ist. Zu den gängigen Thulium-dotierten Matrixmaterialien gehören YAG, YLF, LuAG, YAP usw. In den letzten Jahren wurden auch neue Verstärkungsmedien auf Basis von Sesquioxidkeramiken wie Tm:Lu2O3 und Tm:(Lu, Sc)2O3 umfassend untersucht .

Das Energieniveau des Thuliumions wird unter der Wirkung des Kristallfelds des Matrixmaterials verbreitert, und die Breite des Energieniveaus und das Bandintervall sind unterschiedlich, aber die grundlegenden Eigenschaften sind ähnlich und die Linien des Emissionsspektrums konzentrieren sich hauptsächlich im Bereich von 1.9-2.1 μm. Eine abstimmbare Ausgabe mit schmaler Linienbreite kann durch Abstimmelemente wie das Volumen-Bragg-Gitter mit seinem breiten Fluoreszenzspektrum erreicht werden.

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