在激光領域中,紅外波段的定義是波長為圖片的激光。紅外激光在軍事領域以及在民用領域均具有十分廣泛的應用,這是由于紅外波段的特性決定的。
隨著紅外激光技術研究的不斷進步,紅外激光的產生方法也逐步獲得拓展,目前主要通過摻雜離子的直接發射、半導體技術和非線性技術等手段。
(1)摻雜離子的直接發射:離子當中存在著不同的能級,電子在能級之間躍遷,會發射出具有中紅外波段的能量的光子,從而形成激光。其中優秀的摻雜離子激光器中激活的離子需要具備三個條件:
①具有能級結構,擁有亞穩態。
②為了能夠大幅度提高泵浦光源轉換的效率,應該選擇具有較強的光吸收帶隙寬度的激活離子。
③熒光量子效率較高。摻雜離子直接發射的激光器雖然光轉換效率比較高,但是受到材料特性的限制,只能獲得較小波段范圍的激光。
(2)半導體技術。傳統的半導體激光器是通過電子和空穴的復合,使輻射出的光子形成激光。量子級聯技術出現以后,使得量子效率與輸出功率可以進一步獲得提升,與此同時延伸了輸出激光的波長區間。此類器件效率高,輸出波長范圍廣,但是輸出功率比較低,而且需要在低溫環境運行。
(3)非線性頻率轉換技術。利用該技術,可以有效將離子直接發射的激光進行頻率的變換,從而有效地使激光的波段擴大。同時可以實現激光器的小型化、全固化,并且輸出大功率的激光。
由于紅外波段位于大氣吸收窗口,是熱輻射能量較為集中的區域,且對水的吸收十分強烈,因此廣泛應用于各種領域。
(1)紅外制導導彈,使用了紅外探測器獲取并且追蹤目標所發出的熱輻射能量,實現尋找并且制導,可以實現精確打擊。紅外制導導彈已經從第一代美國研發的“響尾蛇”AM-9B系列空空導彈,到第二代英國的“紅頭”導彈和發過的“馬特拉”R530導彈,到第三代的蘇聯P-73導彈。前三代受限于紅外點源尋技術,無法區分多目標。自二十世紀七十年代,第四代紅外凝視成像技術,將熱目標作為擴展源處理,帶來了紅外制導導彈的變革。第四代典型的代表以色列的“怪蛇”-4/5導彈。
(2)紅外激光雷達。利用了激光亮度高、單色性優異、方向性強的優點。在高度成像方面取得非常大的優勢,將分辨率提升至厘米甚至毫米的級別,與之前的微波雷達對比,高了接近100倍;而測量角速度方面也比微波雷達高1000倍以上。同時因為中紅外波段位于最小的大氣吸收窗口,能有效地提高測量的準確度。
(3)紅外激光通信。激光作為信息載體由于承載的信息量大大提高,因而可以很大程度上豐富通信的方式。但是傳統的激光源會受到較強的大氣吸收和散射,使得通信的距離大大降低,所以傳統的激光通信無法完全取代無線電通信。但是位于大氣吸收窗口的紅外激光則受到較少的大氣吸收以及散射,能使激光通信迎來新時代。
另外紅外激光還應用于醫療和環境監測等領域。