Ученые разрабатывают новый метод создания мощных лазеров среднего инфракрасного диапазона

Недавно группа ученых под руководством Наньянского технологического университета Сингапура (NTU Singapore) разработала новый метод, который позволяет генерировать интенсивный сверхбыстрый лазерный свет, и, как ожидается, создаст точное оборудование, способное ускорить «вынюхивание» следов загрязняющих веществ и вредных газов.
В настоящее время лазеры инфракрасного диапазона способны за считанные минуты анализировать широкий спектр веществ в воздухе, будь то парниковые газы, токсины, взрывчатые вещества или газы, опасные для здоровья человека.
Из них особенно важны мощные лазеры среднего инфракрасного диапазона, поддерживающие высокочувствительное оборудование дистанционного обнаружения, способное безопасно обнаруживать даже следовые количества веществ, которые трудно обнаружить в обычных условиях.
Однако современные технологии производства таких лазеров сталкиваются с трудностями. С одной стороны, некоторые из методов требуют строгих лабораторных условий, которые не допускают никаких форм помех, таких как вибрация, перепады температуры или влажности, что ограничивает их применение в реальных условиях. С другой стороны, хотя некоторые методы способны генерировать лазерный свет в нестабильных условиях, его интенсивность недостаточно высока для точного обнаружения следовых количеств веществ.
Исследовательская группа из Наньянского технологического университета в Сингапуре под руководством доцента Чанга Вонкеуна успешно решила вышеуказанные проблемы, используя специальное полое волокно и регулируя толщину его внутренней структуры. Новый метод позволяет генерировать лазерный свет высокой яркости в среднем инфракрасном диапазоне, не полагаясь на стабильную лабораторную среду.
«Наша технология открывает новый способ разработки портативных, эффективных и быстрых лазеров среднего инфракрасного диапазона», — сказал профессор Чанг. «Эти лазеры не требуют эксплуатации в строго контролируемой среде и поэтому могут быть объединены с детекторами и использованы непосредственно в полевых условиях для тестирования и идентификации широкого спектра неизвестных веществ. Это означает, что нам больше не нужно отправлять образцы в лаборатории для тестирования, даже для определения следовых количеств веществ, что значительно экономит время и ресурсы».
Технология полых волокон, которая позволяет лазерам среднего инфракрасного диапазона (длина волны 2-20 микрон) демонстрировать значительные преимущества при обнаружении веществ. Многие молекулы обладают уникальными свойствами поглощения для лазеров в среднем инфракрасном диапазоне, что делает эти лазеры особенно эффективными при идентификации неизвестных веществ. Кроме того, лазер среднего инфракрасного диапазона может точно распознавать вещества даже в присутствии воды, без помех со стороны молекул воды.
Доцент Чан Вонкеун обнаружил с помощью компьютерного моделирования, что, изменяя толщину стенок полых волоконных микротрубок, можно преобразовать лазеры ближнего инфракрасного диапазона в мощные лазеры среднего инфракрасного диапазона. Экспериментальные результаты показали, что им удалось создать лазеры среднего инфракрасного диапазона с длиной волны 3-4 микрометров и пиковой мощностью до мегаватт, что намного превышает мощность стандартной лампочки.
Профессор ssambastien fsamvrier из Университета Лиможа прокомментировал, что подход команды Наньянского технологического университета сильно отличается от традиционной сложной нелинейной компоновки и предлагает новый способ мышления для изготовления стабильных лазеров среднего инфракрасного диапазона. Кроме того, поскольку полые волокна можно сращивать друг с другом, это открывает возможность производства лазеров среднего инфракрасного диапазона без перемещения механических частей.
Экспериментальные данные показывают, что лазеры среднего инфракрасного диапазона, созданные командой, примерно в 1,000 раз мощнее существующих технологий и достаточно мощны для обнаружения следовых количеств веществ на больших расстояниях. Профессор Чанг далее отметил: «С такими высокоинтенсивными лазерами мы можем достичь беспрецедентной чувствительности и рассчитывать на использование этих устройств для безопасного обнаружения следовых количеств веществ, которые трудно обнаружить обычными методами».
Результаты этого исследования не только обеспечивают техническую поддержку для разработки более точного оборудования для мониторинга окружающей среды, но и могут сыграть важную роль в области мониторинга здоровья. Например, определяя уровень метана в дыхании, этот метод может быть использован для раннего скрининга колоректального рака.
Заглядывая вперед, исследовательская группа планирует еще больше расширить диапазон длин волн лазера среднего инфракрасного диапазона, чтобы улучшить его способность обнаружения. По словам доцента Чжана, этот метод теоретически может производить лазеры среднего инфракрасного диапазона с длинами волн до 10 микрометров, что еще больше расширит его применение в таких областях, как мониторинг окружающей среды и обнаружение безопасности.