为什么不可见光实验离不开这张“卡”？

激光本身很多波段人眼看不到（紫外、近红外、中红外），肉眼无法直接看见光束轮廓、光斑位置。激光观察卡（也叫激光显示片、倍频片、红外显示卡、紫外感光卡等）是涂有特种荧光 / 磷光材料的专用薄片，它可以把人眼不可见的紫外光、近红外、中红外激光转化为肉眼可见的荧光或颜色变化，从而肉眼看到光斑位置、光束走向、光斑形态，专门用于光路对准、光纤调试、激光器调校，属于科研实验室必备耗材。

 

人眼可视区间大约为380-780 nm；紫外光（波长＜380 nm）和红外光（波长＞ 780nm）肉眼难以辨别，需要依靠观察卡。

 

图1 人眼波谱灵敏度图

 

图1为人眼波谱灵敏度图，人眼可视区间 380–780 nm，人眼无法直接观察紫外和近红外激光。在明视觉下（白天/亮环境），人眼对555 nm绿光最敏感，相同光功率下绿光“最亮”；暗视觉下（夜晚弱光），峰值偏移至507 nm蓝绿光。400nm的紫光、700nm的红光灵敏度极低；＞780nm 红外、＜380nm 紫外响应≈0，人眼完全看不见（必须用激光观察卡）。

激光观察卡常见分类

一、根据激发原理

 

不同波段（紫外、近红外、中红外）的观察卡，其工作原理完全不同。按照激发原理，常见的激光观察卡可分为四类：电子俘获磷光材料（近红外）、上转换荧光材料（近红外）、下转换荧光材料（紫外）、热致变色材料（中红外）。

 

1、电子俘获磷光型（Phosphorescence）（充电式）

 

用于近红外波段（例如配合YAG激光器使用）的激光观察卡中，最常见的一类都含有磷光材料。使用前，磷光体必须经过可见光（室内照明或者阳光下）照射完成“储能（充电）”。之后该材料会产生微弱磷光（余晖），肉眼几乎察觉不到。但是当红外激光照射到卡片时，材料会快速释放前期储能阶段积攒的能量，被照射区域就会被肉眼看到（通常呈现橙黄色）。该可见光效果仅在储存的能量消耗完毕前存在，然后需要对卡片重新补光储能，或者将激光光斑移动到卡片未被使用过的区域。磷光型观察卡的工作流程如图2所示：

 

图2 磷光型观察卡工作过程

 

2、上转换发光型（Upconversion）（非充电式）

 

存在一类掺杂稀土元素的材料，能够将红外辐射上转换至可见光波段。这类材料使用前无需提前补光储能，激光照射瞬间立刻发光，关掉激光光斑马上消失，无余晖。其原理是材料同时吸收两个或多个低能量的近红外光子，将能量“合并”后，发射出一个高能量的可见光光子。因此上转换发光过程需要更高的光功率密度，也就是说，该类观察卡的灵敏度要低得多，更适合大功率激光器。

 

3、下转换荧光型（非充电式）

 

紫外激光观察卡，采用下转换荧光材料。其工作机制是直接荧光，即卡上的感光材料吸收高能量的紫外光子后，材料分子被激发，分子回落时释放波长更长的可见光。属于即时荧光，不需要充电，激光消失光斑立刻消失，没有余晖。

 

图3 紫外观察卡效果示意图

 

4、热致变色（非充电式）

 

对于波长更长的中红外波段（如2-13 μm），部分观察卡采用热致变色原理。它不依赖于光子的能量转换，而是利用激光的热量使感光材料发光。卡片内部含有特殊介质（例如液晶薄膜或含特定色粉的涂层），该材料受热升温后会发生变色。根据材质型号不同，变色效果各异：如由绿色转为棕褐色、黑色，或是由深色变为白色。该工作原理决定了入射激光光强必须达到一定阈值，才能使局部温度升高数十开尔文。但激光光强也不宜过高，否则会造成材料永久性损毁。因此这类卡片可用动态范围较窄。

 

图4 近红外（磷光型/上转换发光型）、紫外（下转换荧光型）、中红外（热敏型）观察卡样式一览

二、根据结构形式

 

按结构形式划分，激光观察卡分为反射式和透射式两种。

1、反射式观察卡：荧光涂层涂覆在卡片表面；激光打在表层，在入射一侧观察光斑。
2、透射式观察卡：荧光物质均匀掺杂在薄膜内部，激光穿透整个薄片，在卡片背面观察光斑，但同等激光功率下亮度低于反射型。

 

激光观察卡通常采用反射式的：在激光光束入射卡片的同一侧，观察卡片激发出的可见光。

补充说明

 

① 发光非线性
观察卡主要用于定位，荧光发光强度和激光光强不是线性正比，观察卡显示的光斑尺寸会略大于真实光斑或失真，只能判断光斑位置，不能用来精确测量光斑大小和光强分布；光束质量分析仪才可以定量检测。

② 损伤机制
大功率激光能量过高，会把荧光材料高温碳化，涂层永久性失效；高功率激光不能长时间定点照射卡片。

③ 波长选择性
材料只对特定波段响应，红外观察卡看不到紫外激光，紫外观察卡看不到近红外激光，波长选错卡片不会发光。

④安全警示
切勿将观察卡用于阻挡激光，它不具备防护功能。同时，注意避免使用表面有光泽的卡片，以防产生镜面反射，对眼睛造成伤害。

激光观察卡使用速览表