中赤外固体レーザーをご存知ですか？（前編）

中赤外線帯域赤外線波長範囲の特定の帯域を指しますが、アプリケーション要件が異なるため、中赤外線波長の範囲はアプリケーション分野ごとに異なる定義になります。 国際照明協会は中間赤外線を 3-1000μm と定義しています。 軍事では一般に 3-5 μm に制限されます。 レーザー技術の分野では、中赤外レーザー波長範囲は一般に 2-5 μm 帯を指します。

(1) 宇宙通信

中赤外線バンドは大気の吸収窓に位置します。 図 1 からわかるように、中赤外帯域では、ほとんどの波長の透過率が 60 パーセントを超え、一部の波長は 90 パーセントにも達しますが、少数の波長は吸収と透過率により非常に低くなります。 CO2、H2O、O3 分子の量。 このため、中赤外レーザーは大気中での長距離伝送が可能であり、リモートセンシングや検出などの分野で幅広い応用が可能です。

3-5 μmの中赤外帯域は、低損失、弱い乱流、および大気の弱いバックグラウンドノイズの窓であり、大気チャネルの影響をうまく克服でき、長距離レーザーにとって理想的な帯域です。宇宙でのコミュニケーション。

送信される高速データは符号化され、中赤外レーザー光源から出力される光搬送波にロードされて中赤外レーザー信号が形成され、光パワーと送信アンテナによって増幅されてビームが拡張されます。 ビームを拡大する目的は、ビームの発散角を圧縮し、大気中でのレーザービームの発散損失を低減し、大気チャネルを通って受信端まで送信することです。 受信アンテナから送信され、中赤外光検出器で変換され、最終的にラインデコーダなどのデータ処理部で処理され、元の高速データが得られます。

(2) 医療用途

水の分子は生物組織の重要な部分です (水の吸収スペクトルを図 3 に示します)。 1.9-2μmレーザーの強力な吸収に対する水分子の熱効果により、迅速な止血が達成され、手術中の人体組織への損傷が軽減されます。 したがって、この帯域のレーザーは臨床外科で広く使用されています。

臨床外科での症例としては、血管角腫や脳腫瘍などの良性・悪性腫瘍の切除、鼻ポリープなどの鼻の手術、咽頭後壁の濾胞性過形成、下鼻甲介肥大、子宮内膜転位、腺性膀胱炎などがあります。 、前立腺肥大症、砕石術、レーザー心筋穿孔、関節滑膜切除術、関節嚢胞およびその他の軟部組織切除術、変形性関節症の治療など。

この医療方法には、出血が少ない、またはまったくない、タンポナーデの必要がない、傷が小さい、傷面の治癒が早い、手術方法が簡単であるなどの利点があります。

(3) 軍事用途

指向性赤外線妨害技術は、赤外線アクティブ妨害技術の一種であり、レーザービームが特定のビーム拡大率に達した後、ミサイルが接近している場合、追跡装置を使用して妨害エネルギーを飛来ミサイルの方向に向け、ミサイルシーカーは失敗し、目標から外れます。

米国海軍研究所は、統合電子戦システム (AIEWS) 用のマルチバンド対艦戦術電子戦システム (MATES) の開発に成功しました。このシステムは、主に中波赤外線と遠赤外線のスペクトル範囲の光源を使用します。赤外線レーザー装置。

(4) 工業的加工

透明プラスチックの吸収は1μm帯と小さいですが、有機材料の多くは2μmと十分な吸収を持っているため、透明材料の切断、溶接、彫刻などの加工分野にそのまま使用できます。 レーザー 3D プリンティング技術の普及に伴い、透明有機材料の 3D プリンティング製造はより急速に発展すると考えられます。

(5) ガス監視

中赤外線帯域には多数の気体分子の吸収線が集中しており、その吸収強度は近赤外線帯域の 2-3 倍強いです。 したがって、中赤外レーザーは、微量ガス検出の分野で幅広い民間価値を持っています。 CO2、CH4、C2H6 の吸収ピークはそれぞれ 2.8 μm、3.2 μm、3.3 μm の帯にあるため、連続中赤外レーザーを分子分光法に応用して微量ガスモニタリングの感度を向上させることができます。

中赤外固体レーザー発生技術

固体レーザー技術の場合、中赤外帯の生成方法は、ドープイオン直接放射技術と非線形変換技術に分類できます。

ドープされたイオンの直接放出は、イオンのエネルギー準位遷移による中赤外光子の放出です。 一般的な固体活性剤には、希土類イオン (Tm3 プラス、Ho3 プラス、Er3 プラスなど) および遷移金属イオン (Fe2 プラス、Cr2 プラスなど) が含まれます。

非線形周波数変換技術には、差周波、光パラメトリック発振、誘導ラマン散乱が含まれ、これらは主に非線形結晶の特性によって決まります。

(1) ツリウムドープ固体レーザー

ツリウムレーザーの発光バンドは水分子の吸収ピーク（1.92-1.94μm）にあるため、ツリウムレーザーは手術に応用した場合、高効率で熱損傷が少ない有望な医療用レーザーです。 さらに、ツリウムドープレーザーは、ホルミウムドープレーザーシステムおよび中赤外パラメトリックレーザーの励起光源として使用できます。

ツリウムをドープした材料の吸収ピークは約 790 nm であり、半導体ポンピングに適しています。 一般的なツリウムをドープしたマトリックス材料には、YAG、YLF、LuAG、YAP などが含まれます。近年、Tm: Lu2O3 や Tm:(Lu, Sc)2O3 などの三二酸化物セラミックスをベースとした新しい利得媒体も広く研究されています。 。

ツリウムイオンのエネルギー準位はマトリックス材料の結晶場の作用により広がり、エネルギー準位の幅とバンド間隔は異なりますが、基本的な特性は類似しており、発光スペクトル線は主に の範囲に集中しています。 1.9-2.1μm。 狭い線幅の調整可能な出力は、広い蛍光スペクトルを備えたボリュームブラッググレーティングなどの要素を調整することによって実現できます。

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