أشعة الليزر القابلة للضبط من الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

تعريفات النطاق الطيفي المختلفة.

بشكل عام، عندما يتحدث الناس عن مصادر ضوء الأشعة تحت الحمراء، فإنهم يشيرون إلى الضوء بأطوال موجية فراغية أكبر من ~ 700-800 نانومتر (الحد الأعلى لنطاق الطول الموجي المرئي).

لم يتم تعريف الحد الأدنى للطول الموجي بشكل واضح في هذا الوصف لأن إدراك العين البشرية للأشعة تحت الحمراء يتناقص ببطء بدلاً من أن ينقطع عند الهاوية.

على سبيل المثال، تكون استجابة الضوء عند 700 نانومتر للعين البشرية منخفضة جدًا بالفعل، ولكن إذا كان الضوء قويًا بدرجة كافية، فيمكن للعين البشرية حتى رؤية الضوء المنبعث من بعض صمامات الليزر الثنائية بأطوال موجية تتجاوز 750 نانومتر، مما يجعل الأشعة تحت الحمراء أيضًا الليزر خطر على السلامة --حتى لو لم يكن ساطعًا جدًا للعين البشرية، فقد تكون قوته الفعلية عالية جدًا.

وبالمثل، مثل نطاق الحد الأدنى لمصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء (700 ~ 800 نانومتر)، فإن نطاق تعريف الحد الأعلى لمصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء غير مؤكد أيضًا. بشكل عام، فهو حوالي 1 ملم.

فيما يلي بعض التعريفات الشائعة لنطاق الأشعة تحت الحمراء:

المنطقة الطيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (وتسمى أيضًا IR-A)، يتراوح نطاقها من 750 إلى 1400 نانومتر تقريبًا.

الليزر المنبعث في منطقة الطول الموجي هذه عرضة للضوضاء ومشكلات سلامة العين البشرية، لأن وظيفة تركيز العين البشرية متوافقة مع نطاقات الضوء القريبة من الأشعة تحت الحمراء والمرئية، بحيث يمكن نقل مصدر ضوء نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة وتركيزه إلى المنطقة شبكية العين الحساسة بنفس الطريقة، ولكن ضوء النطاق القريب من الأشعة تحت الحمراء لا يؤدي إلى منعكس الوميض الوقائي. ونتيجة لذلك، تتضرر شبكية العين البشرية بسبب الطاقة الزائدة بسبب عدم الحساسية. ولذلك، عند استخدام مصادر الضوء في هذا النطاق، يجب إيلاء الاهتمام الكامل لحماية العين.

تتراوح الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي القصير (SWIR، IR-B) من 1.4-3 ميكرومتر.

وتعتبر هذه المنطقة آمنة نسبياً للعينين لأن هذا الضوء تمتصه العين قبل أن يصل إلى الشبكية. على سبيل المثال، تعمل في هذه المنطقة مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم المستخدمة في اتصالات الألياف الضوئية.

نطاق الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (MWIR) هو 3-8 ميكرومتر.

وتظهر الأجواء امتصاصية قوية في أجزاء من المنطقة؛ سيكون للعديد من غازات الغلاف الجوي خطوط امتصاص في هذا النطاق، مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) وبخار الماء (H2O). وأيضًا لأن العديد من الغازات تظهر امتصاصًا قويًا في هذا النطاق، فإن خصائص الامتصاص القوية تجعل هذه المنطقة الطيفية تستخدم على نطاق واسع للكشف عن الغاز في الغلاف الجوي.

نطاق الأشعة تحت الحمراء للموجة الطويلة (LWIR) هو 8-15 ميكرومتر.

التالي هو الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR)، والتي تتراوح من 15 ميكرومتر إلى 1 مم (ولكن هناك أيضًا تعريفات تبدأ من 50 ميكرومتر، انظر ISO 20473). تُستخدم هذه المنطقة الطيفية في المقام الأول للتصوير الحراري.

تهدف هذه المقالة إلى مناقشة اختيار أشعة الليزر ذات الطول الموجي القابل للضبط عريض النطاق مع مصادر ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، والتي قد تشمل الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي القصير أعلاه (SWIR، IR-B، تتراوح من 1.4-3 ميكرومتر) وجزء من الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (MWIR، يتراوح مداها بين 3 و8 ميكرومتر).

تطبيق نموذجي

أحد التطبيقات النموذجية لمصادر الضوء في هذا النطاق هو تحديد أطياف امتصاص الليزر في الغازات النزرة (مثل الاستشعار عن بعد في التشخيص الطبي والرصد البيئي). هنا، يستفيد التحليل من نطاقات الامتصاص القوية والمميزة للعديد من الجزيئات في المنطقة الطيفية للأشعة تحت الحمراء المتوسطة، والتي تعمل بمثابة "بصمات جزيئية". على الرغم من أنه يمكن أيضًا دراسة بعض هذه الجزيئات من خلال خطوط الامتصاص الشاملة في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء، نظرًا لأن مصادر الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء أسهل في التحضير، إلا أن هناك مزايا لاستخدام خطوط امتصاص أساسية قوية في المنطقة الوسطى من الأشعة تحت الحمراء ذات حساسية أعلى .

في التصوير بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة، تُستخدم أيضًا مصادر الضوء في هذا النطاق. يستفيد الناس عادة من حقيقة أن ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة يمكن أن يخترق المواد بشكل أعمق ويكون تشتته أقل. على سبيل المثال، في تطبيقات التصوير فوق الطيفي المقابلة، يمكن أن توفر الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة معلومات طيفية لكل بكسل (أو فوكسل).

نظرًا للتطور المستمر لمصادر ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، مثل ليزر الألياف، أصبحت تطبيقات معالجة المواد غير المعدنية بالليزر عملية أكثر فأكثر. عادةً، يستفيد الأشخاص من الامتصاص القوي لضوء الأشعة تحت الحمراء بواسطة مواد معينة، مثل أفلام البوليمر، لإزالة المواد بشكل انتقائي.

والحالة النموذجية هي أن الأغشية الموصلة الشفافة لأكسيد القصدير الإنديوم (ITO) المستخدمة للأقطاب الكهربائية في الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية تحتاج إلى هيكلة عن طريق الاستئصال الانتقائي بالليزر. مثال آخر هو التجريد الدقيق للطبقات الموجودة على الألياف الضوئية. عادةً ما تكون مستويات الطاقة المطلوبة في هذا النطاق لمثل هذه التطبيقات أقل بكثير من تلك المطلوبة لتطبيقات مثل القطع بالليزر.

يستخدم الجيش أيضًا مصادر الضوء القريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى المتوسطة للأشعة تحت الحمراء في التدابير المضادة الاتجاهية للأشعة تحت الحمراء ضد الصواريخ الباحثة عن الحرارة. بالإضافة إلى طاقة خرج أعلى مناسبة لكاميرات الأشعة تحت الحمراء المسببة للعمى، يلزم أيضًا تغطية طيفية واسعة داخل نطاق الإرسال الجوي (حوالي 3-4 ميكرومتر و8-13 ميكرومتر) لمنع المرشحات البسيطة المحززة من حماية كاشفات الأشعة تحت الحمراء.

يمكن أيضًا استخدام نافذة الإرسال الجوية الموصوفة أعلاه للاتصالات الضوئية في الفضاء الحر عبر الحزم الاتجاهية، ويتم استخدام الليزر المتتالي الكمي في العديد من التطبيقات لهذا الغرض.

في بعض الحالات، تكون هناك حاجة إلى نبضات فائقة القصر في منتصف الأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال، يمكن للمرء استخدام أمشاط ذات تردد متوسط ​​للأشعة تحت الحمراء في التحليل الطيفي بالليزر، أو استغلال شدة الذروة العالية للنبضات فائقة القصر في استخدام الليزر. يمكن إنشاء ذلك باستخدام ليزر مقفل الوضع.

على وجه الخصوص، بالنسبة لمصادر الضوء القريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى متوسطة الأشعة تحت الحمراء، فإن بعض التطبيقات لها متطلبات خاصة لمسح الأطوال الموجية أو ضبط الطول الموجي، كما تلعب أشعة الليزر القابلة للضبط ذات الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء أيضًا دورًا مهمًا للغاية في هذه التطبيقات.

على سبيل المثال، في التحليل الطيفي، تعد أجهزة الليزر القابلة للضبط بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة أدوات أساسية، سواء في استشعار الغاز، أو المراقبة البيئية، أو التحليل الكيميائي. يقوم العلماء بضبط الطول الموجي لليزر لوضعه بدقة في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط ​​لاكتشاف خطوط امتصاص جزيئية محددة. وبهذه الطريقة، يمكنهم الحصول على معلومات مفصلة حول تركيب المادة وخصائصها، مثل فك كتاب الرموز المليء بالأسرار.

في مجال التصوير الطبي، تلعب أشعة الليزر القابلة للضبط بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة أيضًا دورًا مهمًا. يتم استخدامها على نطاق واسع في تقنيات التشخيص والتصوير غير الغازية. ومن خلال الضبط الدقيق للطول الموجي لليزر، يمكن لضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة أن يخترق الأنسجة البيولوجية، مما يؤدي إلى الحصول على صور عالية الدقة. وهذا أمر مهم لكشف وتشخيص الأمراض والتشوهات، مثل الضوء السحري الذي يطلع على الأسرار الداخلية لجسم الإنسان.

كما أن مجال الدفاع والأمن لا ينفصل عن تطبيق أشعة الليزر القابلة للضبط ذات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. تلعب أشعة الليزر هذه دورًا رئيسيًا في الإجراءات المضادة للأشعة تحت الحمراء، خاصة ضد الصواريخ الباحثة عن الحرارة. على سبيل المثال، يمكن لنظام التدابير المضادة الاتجاهية بالأشعة تحت الحمراء (DIRCM) حماية الطائرات من تعقبها ومهاجمتها بالصواريخ. من خلال ضبط الطول الموجي لليزر بسرعة، يمكن لهذه الأنظمة أن تتداخل مع نظام توجيه الصواريخ القادمة وتحول مجرى المعركة على الفور، مثل سيف سحري يحرس السماء.

تعد تكنولوجيا الاستشعار عن بعد وسيلة مهمة لمراقبة الأرض ومراقبتها، حيث تلعب أشعة الليزر القابلة للضبط بالأشعة تحت الحمراء دورًا رئيسيًا. تعتمد مجالات مثل المراقبة البيئية وأبحاث الغلاف الجوي ومراقبة الأرض على استخدام هذه الليزرات. تتيح أجهزة الليزر القابلة للضبط بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة للعلماء قياس خطوط امتصاص محددة للغازات في الغلاف الجوي، مما يوفر بيانات قيمة لمساعدة أبحاث المناخ ومراقبة التلوث والتنبؤ بالطقس، مثل المرآة السحرية التي توفر نظرة ثاقبة لأسرار الطبيعة.

في البيئات الصناعية، يتم استخدام أشعة الليزر القابلة للضبط بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة على نطاق واسع لمعالجة المواد الدقيقة. ومن خلال ضبط أشعة الليزر على الأطوال الموجية التي تمتصها مواد معينة بقوة، فإنها تتيح الاستئصال الانتقائي أو القطع أو اللحام. وهذا يتيح التصنيع الدقيق في مجالات مثل الإلكترونيات وأشباه الموصلات والتصنيع الدقيق. يشبه الليزر القابل للضبط بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة سكين نحت مصقول بدقة، مما يسمح للصناعة بنحت المنتجات المنحوتة بدقة وإظهار تألق التكنولوجيا.