Наньянский технологический университет разрабатывает новый метод производства сверхинтенсивных и сверхбыстрых лазеров

В настоящее время лазеры, излучаемые в среднем инфракрасном диапазоне, могут за считанные минуты идентифицировать вещества в воздухе — будь то выбросы парниковых газов, токсины, взрывчатые вещества или газы, связанные с болезнями, обнаруженные в дыхании человека.
Мощные лазеры среднего инфракрасного диапазона, генерируемые сверхбыстрыми импульсами, пользуются большим спросом, поскольку они лежат в основе высокочувствительных устройств, которые могут безопасно обнаруживать на расстоянии даже следовые количества веществ, которые в противном случае остались бы незамеченными или их было бы трудно идентифицировать.
Недавно ученые под руководством NTU Singapore разработали новый метод производства мощных и сверхбыстрых лазеров. По их словам, этот метод «многообещает создать точные устройства, которые смогут ускорить обнаружение следов загрязнений и вредных газов».
Однако современные традиционные методы генерации таких лазеров имеют свои недостатки: один метод требует лабораторных условий, свободных от помех, которые могут привести к смещению точно откалиброванного оборудования (например, вибрации, изменения температуры/влажности), а это означает, что лазеры не могут быть использованы. вне лаборатории.
Другой метод позволяет генерировать лазеры, одновременно справляясь с такими возмущениями окружающей среды, как вибрация, но они недостаточно сильны, чтобы точно обнаруживать следовые количества веществ. Новое исследование Наньянского технологического университета решило эти проблемы.
Результаты опубликованы в журнале Lasers ＆ Photonics Reviews.
Исследователи использовали специально изготовленные полые оптические волокна для генерации очень яркого лазерного света в среднем инфракрасном диапазоне, регулируя толщину нейтронной структуры волокна.
Чанг Вонкеун, доцент Школы электротехники и электроники Наньянского технологического университета, который руководил этим последним исследованием, сказал: «Наш подход открывает путь к разработке портативных, мощных и быстрых лазерных генераторов среднего инфракрасного диапазона, которые не полагаются на хорошо контролируемая и свободная от вибрации среда для поддержания работы».
«Это означает, что мы можем соединить их с детекторами и использовать в полевых условиях, чтобы помочь тестировать и идентифицировать широкий спектр неизвестных веществ. В то же время нет необходимости тратить дополнительное время на отправку образцов в лабораторию для тестирования, даже в следовые количества».
Преимущества обнаружения
Лазеры среднего инфракрасного диапазона с длиной волны от 2 мкм-20 мкм обладают преимуществами перед другими лазерами при обнаружении веществ. Многие различные типы молекул уникальным образом поглощают лазеры в среднем инфракрасном диапазоне, больше, чем на других длинах волн, и эту характеристику можно использовать для идентификации неизвестных веществ. Кроме того, даже если в этих веществах присутствует вода, в отличие от других лазеров, на точность идентификации веществ с помощью лазеров среднего инфракрасного диапазона молекулы воды не влияют.
Один из способов генерировать мощные лазеры среднего инфракрасного диапазона с быстрыми всплесками — излучать яркое и сверхбыстрое излучение ближнего инфракрасного диапазона через оптическое волокно, имеющее короткую длину волны. Лазеры среднего инфракрасного диапазона, создаваемые оптическими волокнами с твердыми стеклянными центрами, обычно не очень сильны, что затрудняет точное обнаружение небольших количеств вещества.
Для производства высокоинтенсивных лазеров среднего инфракрасного диапазона обычно требуется среда, свободная от помех, что ограничивает использование лазеров в лабораториях и затрудняет реализацию конкретных приложений. Профессор Чжан из Наньянского технологического университета решил эти проблемы, используя полые стекловолокна. Он обнаружил это, когда использовал компьютерное моделирование, чтобы определить тип ближнего инфракрасного излучения, которое может возникать при прохождении через полые волокна.
Преобразование длины волны
В отличие от обычных оптических волокон, это трубчатое полое волокно имеет кольцо из стеклянных трубок меньшего размера вокруг полого центра волокна. Моделирование показало, что, изменяя толщину стенок миниатюрных волоконных трубок, было бы многообещающе преобразовать лазеры ближнего инфракрасного диапазона в мощные, сверхбыстрые лазеры среднего инфракрасного диапазона.
Затем его команда провела эксперименты, в которых центры полых волокон были заполнены аргоном, и ученые смогли подтвердить предсказания моделирования. Они создали лазер среднего инфракрасного диапазона с пиковой мощностью в мегаваттном диапазоне и длиной волны 3 мкм-4мкм, что в миллион раз мощнее стандартной лампочки.
Это лазерное преобразование происходит потому, что лазер ближнего инфракрасного диапазона взаимодействует с формой оптического волокна, которое преобразует лазер в свет среднего инфракрасного диапазона путем возбуждения молекул газа аргона. Толщина микротрубок чуть более чем в два раза превышает длину волны излучаемого лазерного света среднего инфракрасного диапазона, поэтому минитрубка с толщиной стенок 1,6 мкм излучает лазерный свет с пиковой длиной волны около 3,7 мкм.
Профессор Самбастиен Фсамвриер (из Лиможского университета), давний исследователь лазеров среднего инфракрасного диапазона, сказал, что метод генерации лазеров, разработанный командой Наньянского технологического университета, «резко контрастирует с устройствами, которые обычно включают в себя сложные нелинейные устройства».
Профессор Самбастьен Фсамвриер сказал: «Кроме того, поскольку оптические волокна можно сращивать друг с другом, эти результаты открывают путь к созданию лазеров среднего инфракрасного диапазона, на которые не влияют никакие движущиеся механические части».