Nanyang Technological University utvecklar en ny metod för att producera ultraintensiva, ultrasnabba lasrar

För närvarande kan lasrar som sänds ut i det mellan-infraröda området identifiera ämnen i luften inom några minuter - oavsett om de är föroreningar från växthusgaser, gifter, sprängämnen eller gaser som är förknippade med sjukdomar som finns i människors andetag.
Högeffektiva mellaninfraröda lasrar som genereras i ultrasnabba pulser är mycket efterfrågade eftersom de stöder mycket känsliga enheter som säkert kan upptäcka på avstånd även spårmängder av ämnen som annars skulle gå obemärkt förbi eller vara svåra att identifiera.
Nyligen har forskare under ledning av NTU Singapore utvecklat en ny metod för att producera intensiva och ultrasnabba lasrar. Denna metod, säger de, "håller löftet om att skapa exakta enheter som kan påskynda sniffningen av spårföroreningar och skadliga gaser."
De nuvarande konventionella metoderna för att generera sådana lasrar har dock sina egna brister: en metod kräver labbförhållanden fria från störningar som kan felinrikta precisionskalibrerad utrustning (t.ex. vibrationer, temperatur-/fuktighetsvariationer) - vilket innebär att lasrarna inte kan användas utanför labbet.
Den andra metoden kan generera lasrar samtidigt som de klarar av miljöstörningar som vibrationer, men de är inte tillräckligt starka för att exakt detektera spårmängder av ämnen. Ny forskning från Nanyang Technological University har tagit itu med dessa utmaningar.
Resultaten publiceras i Lasers & Photonics Reviews.
Forskarna använde specialtillverkade ihåliga optiska fibrer för att generera mycket starkt laserljus i det mellan-infraröda området genom att justera tjockleken på fiberns neutronstruktur.
Chang Wonkeun, en biträdande professor vid Nanyang Technological Universitys School of Electrical and Electronic Engineering, som ledde denna senaste studie, sa: "Vårt tillvägagångssätt banar väg för utvecklingen av bärbara, kraftfulla och snabba mellaninfraröda lasergeneratorer som inte förlitar sig på välkontrollerade och vibrationsfria miljöer för att upprätthålla driften."
"Detta innebär att vi kan para ihop dem med detektorer och använda dem i fält för att hjälpa till att testa och identifiera en mängd olika okända ämnen. Samtidigt finns det ingen anledning att lägga extra tid på att skicka prover till labbet för testning, inte ens i spårmängder."
Fördelar med detektion
Mellaninfraröda lasrar, med våglängder som sträcker sig från 2um-20um, erbjuder fördelar jämfört med andra lasrar för att detektera ämnen. Många olika typer av molekyler absorberar lasrar i det mellaninfraröda området på ett unikt sätt, mer än andra våglängder, en egenskap som kan användas för att identifiera okända ämnen. Dessutom, även om vatten finns i dessa ämnen, till skillnad från andra lasrar, påverkas inte noggrannheten för att identifiera ämnen med hjälp av mellaninfraröda lasrar av vattenmolekyler.
Ett sätt att generera högeffekts mellaninfraröda lasrar i snabba skurar är att - sända ut ljus och ultrasnabb nära-infraröd strålning genom en optisk fiber, som har en kort våglängd. Mellaninfraröda lasrar som produceras av optiska fibrer med solida glascentra är vanligtvis inte särskilt starka, vilket gör det svårt att detektera små mängder materia noggrant.
För att producera högintensiva mellaninfraröda lasrar krävs vanligtvis en störningsfri miljö, vilket begränsar användningen av lasrar till laboratoriet och gör det svårt att realisera specifika tillämpningar. Professor Zhang vid Nanyang Technological University löste dessa problem genom att använda ihåliga glasfibrer. Han upptäckte detta när han använde datorsimuleringar för att bestämma vilken typ av nära-infraröd strålning som kan alstras när den passerar genom de ihåliga fibrerna.
Våglängdsomvandling
Till skillnad från konventionella optiska fibrer har denna rörformade ihåliga fiber en ring av mindre glasrör runt fiberns ihåliga centrum. Simuleringar visade att genom att variera väggtjockleken på fiberns miniatyrrör skulle det vara lovande att omvandla nära-infraröda lasrar till kraftfulla, ultrasnabba mellaninfraröda lasrar.
Hans team genomförde sedan experiment där centra av de ihåliga kärnfibrerna fylldes med argongas, och forskarna kunde bekräfta förutsägelserna från simuleringarna. De skapade en mellaninfraröd laser med toppeffekt i megawattområdet och en våglängd på 3um-4um, en miljon gånger kraftfullare än en vanlig glödlampa.
Denna laseromvandling sker eftersom den nära-infraröda lasern interagerar med formen på den optiska fibern, som omvandlar lasern till medelinfrarött ljus genom att excitera argongasmolekyler. Tjockleken på mikrorören är relaterad till lite mer än två gånger våglängden av det mellaninfraröda laserljuset som produceras - så ett minirör med en väggtjocklek på 1,6 um producerar laserljus med en toppvåglängd på cirka 3,7 um.
Prof. ssambastien fsamvrier (från University of Limoges), en mångårig forskare på mellaninfraröda lasrar, sa att Nanyang Technological University-teamets metod att generera lasrar "kontrasterar skarpt med enheter som vanligtvis involverar komplexa olinjära arrangemang".
Prof. ssambastien fsamvrier sa: "Dessutom, eftersom optiska fibrer kan skarvas med varandra, banar dessa resultat vägen för generering av mellaninfraröda lasrar som inte påverkas av några rörliga mekaniska delar."