[Introducción]

[Evaluación de las longitudes de onda láser]

[Compromisos a considerar]

[Tabla comparativa 905nm vs 1535nm]

[Adopción en el mercado]

[¿Qué podemos esperar en el futuro?]

[Referencias]

Introducción

Evaluación de las longitudes de onda láser:

La longitud de onda desempeña un papel fundamental en los módulos de telémetros láser, ya que impacta directamente en su rendimiento y capacidades. Los láseres operan dentro de diferentes rangos de longitud de onda, incluyendo ultravioleta, luz visible e infrarrojo. En el contexto de la telemetría, nos centramos en las longitudes de onda de 905nm y 1535nm. Ambas presentan características distintivas que merecen una consideración cuidadosa.

• 905nm
  El láser NIR de 905nm funciona con tecnología de diodo láser semiconductor y se encuentra dentro del rango que los detectores de silicio pueden detectar eficazmente, una tecnología consolidada, madura y rentable.
  
• 1535nm
  El láser de 1535nm exhibe una fuerte capacidad de penetración atmosférica, lo que permite mediciones de largo alcance en condiciones despejadas.
  

Compromisos a considerar:

1. Capacidad de penetración atmosférica

Si bien 1535nm experimenta menor absorción y dispersión atmosférica en comparación con la longitud de onda de 905nm, lo que permite mediciones de largo alcance, es fundamental considerar sus limitaciones potenciales. Por ejemplo, los láseres de 1535nm pueden presentar un rendimiento reducido en condiciones de lluvia o nieve, ya que son fuertemente absorbidos por el agua. Además, la reflectividad del objetivo también debe tenerse en cuenta cuando la superficie está mojada.

Según la Fig. 1 a continuación, podemos observar que el coeficiente de absorción del agua a 1535nm es aproximadamente 253 veces mayor que el de la longitud de onda de 905nm. Podemos afirmar fácilmente que la longitud de onda de 905nm es más resistente a las condiciones climáticas que la de 1535nm.

Fig. 1. La extinción del agua varía según la longitud de onda [1]

¿Cómo supera la industria la degradación en entornos tan críticos?

• Algoritmo de reducción de ruido de señal:
  • Algoritmo eficiente de reducción de ruido de señal Lidar mediante descomposición de modo variacional combinada con un algoritmo de optimización de ballenas enlace: https://www.mdpi.com/2072-4292/11/2/126
  • Reducción de ruido en nubes de puntos Lidar basada en CNN en condiciones climáticas adversas enlace : https://arxiv.org/abs/1912.03874
• Aumentar la potencia de salida del láser: una mayor potenciaincrementa la intensidad luminosa del haz láser, haciéndolo más resistente y manteniendo una señal más fuerte y clara incluso en condiciones climáticas adversas. Sin embargo, es importante señalar que existen limitaciones prácticas al aumentar la potencia de salida del láser.Una mayor potencia consumida genera más calor, lo que puede requerir mejores mecanismos de refrigeración para evitar la degradación del rendimiento y garantizar la fiabilidad a largo plazo del láser.

2. Madurez de la cadena de suministro

La implementación de láseres de 1535nm suele implicar tecnología más compleja, lo que puede afectar el costo, el tamaño y la madurez de la cadena de suministro. Una disipación de calor eficiente también se vuelve crucial debido al mayor consumo de energía de los láseres de 1535nm.

Fotodiodos comúnmente utilizados para láseres de 905nm y 1535nm

InGaAs frente a Si

Los fotodiodos de silicio presentan menor sensibilidad a la longitud de onda de 1535nm debido a su energía de banda prohibida relativamente alta de 1,1eV. Sin embargo, esta limitación puede superarse mediante

• el sobredopaje de fotodiodos de silicio (ingeniería de banda prohibida) dopar el silicio con selenio reducirá eficazmente la energía de banda prohibida del silicio, permitiendo que el fotodiodo detecte la longitud de onda láser de 1535nm. (aún en etapa de desarrollo y difícil de encontrar en el mercado)

otros sensores SWIR en desarrollo: InP, PbS, GeS

madurez de la tecnología de sensores

3. Consideraciones sobre la seguridad ocular

Al seleccionar la longitud de onda adecuada para un módulo láser, es esencial considerar los posibles efectos sobre la seguridad del ojo humano. Según estudios, la longitud de onda de 905nm se encuentra dentro de la "zona de riesgo retiniano", lo que la hace menos segura para el ojo humano.

El láser de 905nm puede penetrar el ojo humano y provocar que la energía de alta intensidad se concentre en la retina, causandodaño retiniano irreversible. En contraste, la longitud de onda de 1535nm puede ser absorbida superficialmente por la córnea antes de llegar a la retina, reduciendo significativamente el potencial de daño y convirtiéndola en una opción más segura. Esta absorción se debe a la presencia de agua en las capas epitelial y endotelial de la córnea.

¡ADVERTENCIA! : aunque la córnea puede tolerar cierto nivel de exposición directa al láser (1400nm - 1000000nm), una exposición prolongada o intensa podría provocar daño térmico a los tejidos corneales. Es importante seguir las directrices de seguridad.

algunas fuentes a continuación que podrían ser útiles:

Revisión de los límites de exposición y datos experimentales sobre daño corneal y del cristalino por radiación láser UV e IR de pulso corto: https://lurl.cc/ovFfeG

Lidar automotriz: se plantean dudas sobre la seguridad del lidar de 1550 nm: https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/14040682/safety-questions-raised-about-1550-nm-lidar

Investigación sobre seguridad ocular láser en APL: https://secwww.jhuapl.edu/techdigest/content/techdigest/pdf/V26-N01/26-01-McCally.pdf

4. Interferencia de la luz ambiental El sol emite un amplio espectro de luz, incluyendo longitudes de onda visibles, ultravioletas e infrarrojas. Sin embargo, se observa que la radiación solar alrededor de 1500nm es relativamente más débil en comparación con otras partes del espectro, especialmente el rango de luz visible (400nm-700nm). Esta característica reduce la probabilidad de interferencia solar, resultando en una relación señal-ruido (SNR) mejorada para ciertas aplicaciones como LiDAR (detección y medición de distancia por luz).

La SNR es una medida de la intensidad de la señal reflejada (en este caso, el pulso láser) en relación con el ruido de fondo. Una SNR alta significa que la señal es fuerte y clara, mientras que una SNR baja significa que la señal es débil y difícil de distinguir del ruido.

Fuentes de luz ambiental del entorno

Tabla comparativa de longitudes de onda 905nm vs 1535nm:

Adopción en el mercado

1. Aplicación SWIR de Apple https://www.patentlyapple.com/2022/07/details-behind-apples-skin-detect-sensor-introduced-with-their-3rd-gen-airpods-has-been-revealed-in-new-patent.html
2. Conducción segura con LiDAR cuando el conductor se encuentra en condiciones críticas.
   • condiciones críticas como: pérdida de conciencia del conductor, pánico, incomodidad al conducir
3. Sistema LiDAR de múltiples longitudes de onda
4. exploración de superficies en ciencias de la Tierra

¿Qué podemos esperar en el futuro?

1. Implementaciones de 1535nm energéticamente eficientes y de bajo costo
2. Algoritmos de reducción de ruido más avanzados
3. Aplicación del láser de 1350nm

Conclusión: Al seleccionar la longitud de onda adecuada para un módulo de telémetro láser, es esencial evaluar cuidadosamente las ventajas y desventajas de 905nm y 1535nm. La elección final depende de los requisitos específicos de la aplicación y de los compromisos deseados. Si bien los láseres de 905nm ofrecen compatibilidad con detectores de silicio y mayores rangos de detección, los láseres de 1535nm proporcionan mayor seguridad ocular, penetración atmosférica superior y capacidades de medición extendidas. Al considerar estos factores, los diseñadores pueden optimizar los módulos de telémetros láser para sus fines previstos, garantizando mediciones de distancia precisas y confiables en una variedad de escenarios.

Referencias:

1. Löfgren, Stefan & Thaung, Jörgen & Lopes, Cesar. (2013). Laser pointers and eye injuries. An analysis of reported cases.
2. Wojtanowski, J., Zygmunt, M., Kaszczuk, M., Mierczyk, Z., & Muzal, M. (2014). Comparison of 905 nm and 1550 nm semiconductor laser rangefinders’ performance deterioration due to adverse environmental conditions. Opto-electronics Review, 22(3). https://doi.org/10.2478/s11772-014-0190-2
3. Singh, C., John, J., Singh, Y., & Tripathi, K. N. (2004). Indoor Optical Wireless Systems: Design Challenges, Mitigating Techniques and future Prospects. IETE Technical Review. https://doi.org/10.1080/02564602.2004.11417136
4. D. Jain, S. Alam, Y. Jung, P. Barua, M. N. Velazquez, and J. K. Sahu, "Highly efficient Yb-free Er-La-Al doped ultra-low NA large mode area single-trench fiber laser," Opt. Express 23, 28282-28287 (2015)
5. Mccally, Russell & Bargeron, C. & Bonney-Ray, Jennifer & Green, W.. (2005). Laser eye safety research at APL. Johns Hopkins APL Technical Digest (Applied Physics Laboratory). 26.