Технологичният университет Нанянг разработва нов метод за производство на ултра-интензивни, ултра-бързи лазери

Понастоящем лазерите, излъчвани в средния инфрачервен диапазон, могат да идентифицират вещества във въздуха за минути - независимо дали са замърсители с парникови газове, токсини, експлозиви или газове, свързани с болести, открити в човешкия дъх.
Високомощните средни инфрачервени лазери, генерирани в ултрабързи импулси, са много търсени, защото са в основата на високочувствителни устройства, които могат безопасно да открият от разстояние дори следи от вещества, които иначе биха останали незабелязани или трудни за идентифициране.
Наскоро учени, ръководени от NTU Singapore, разработиха нов метод за производство на интензивни и свръхбързи лазери. Този метод, казват те, "обещава да създаде прецизни устройства, които могат да ускорят надушването на следи от замърсители и вредни газове."
Настоящите конвенционални методи за генериране на такива лазери обаче имат своите недостатъци: един метод изисква лабораторни условия, свободни от смущения, които могат да разместят прецизно калибрирано оборудване (напр. вибрации, промени в температурата/влажността) - което означава, че лазерите не могат да се използват извън лабораторията.
Другият метод може да генерира лазери, докато се справя с екологични смущения като вибрации, но те не са достатъчно силни, за да открият точно следи от вещества. Ново изследване от Nanyang Technological University се занимава с тези предизвикателства.
Резултатите са публикувани в Lasers ＆ Photonics Reviews.
Изследователите са използвали специално произведени кухи оптични влакна, за да генерират много ярка лазерна светлина в средния инфрачервен диапазон чрез регулиране на дебелината на неутронната структура на влакното.
Chang Wonkeun, асистент в Училището по електротехника и електронно инженерство на Nanyang Technological University, който ръководи това най-ново проучване, каза: „Нашият подход проправя пътя за разработването на преносими, мощни и бързи средноинфрачервени лазерни генератори, които не разчитат на добре контролирана среда без вибрации за поддържане на работата."
„Това означава, че можем да ги сдвоим с детектори и да ги използваме на полето, за да помогнем за тестване и идентифициране на голямо разнообразие от неизвестни вещества. В същото време няма нужда да отделяте допълнително време за изпращане на проби до лабораторията за тестване, дори в следи от количества."
Предимства на откриването
Средно инфрачервените лазери с дължини на вълните, вариращи от 2um-20um, предлагат предимства пред другите лазери при откриване на вещества. Много различни видове молекули абсорбират лазери в средния инфрачервен диапазон по уникален начин, повече от други дължини на вълните, характеристика, която може да се използва за идентифициране на неизвестни вещества. В допълнение, дори ако в тези вещества присъства вода, за разлика от други лазери, точността на идентифициране на вещества с помощта на лазери със среден инфрачервен диапазон не се влияе от водните молекули.
Един от начините за генериране на високомощни средно инфрачервени лазери в бързи изблици е да се излъчва ярко и ултра-бързо близко инфрачервено лъчение през оптично влакно, което има къса дължина на вълната. Средноинфрачервените лазери, произведени от оптични влакна с твърди стъклени центрове, обикновено не са много силни, което затруднява точното откриване на малки количества материя.
За да се произвеждат средноинфрачервени лазери с висок интензитет, обикновено е необходима среда без смущения, което ограничава използването на лазери до лабораторията и затруднява реализирането на конкретни приложения. Професор Джан от Технологичния университет Нанянг реши тези проблеми с помощта на кухи стъклени влакна. Той откри това, когато използва компютърни симулации, за да определи вида на близката инфрачервена радиация, която може да се получи, когато преминава през кухите влакна.
Преобразуване на дължината на вълната
За разлика от конвенционалните оптични влакна, това тръбно кухо влакно има пръстен от по-малки стъклени тръби около кухия център на влакното. Симулациите показаха, че чрез промяна на дебелината на стената на миниатюрните тръби на влакното би било обещаващо да се преобразуват близки инфрачервени лазери в мощни, ултрабързи средно инфрачервени лазери.
След това екипът му проведе експерименти, при които центровете на влакната с куха сърцевина бяха запълнени с газ аргон и учените успяха да потвърдят прогнозите на симулациите. Те създадоха среден инфрачервен лазер с пикова мощност в мегаватовия диапазон и дължина на вълната 3um-4um, милион пъти по-мощен от стандартна електрическа крушка.
Това лазерно преобразуване се случва, защото лазерът в близката инфрачервена област взаимодейства с формата на оптичното влакно, което трансформира лазера в средна инфрачервена светлина чрез възбуждане на молекули на газ аргон. Дебелината на микротръбите е свързана с малко повече от два пъти дължината на вълната на произведената средна инфрачервена лазерна светлина - така че минитръба с дебелина на стената от 1,6 um произвежда лазерна светлина при пикова дължина на вълната от около 3,7 um.
Проф. Самбастиен Фсамвриер (от университета в Лимож), дългогодишен изследовател на лазери със среден инфрачервен диапазон, каза, че методът на екипа на Технологичния университет Нанянг за генериране на лазери "контрастира рязко с устройства, които обикновено включват сложни нелинейни устройства".
Проф. Самбастиен Фсамвриер каза: „Освен това, тъй като оптичните влакна могат да бъдат снаждани едно с друго, тези резултати проправят пътя за генерирането на средноинфрачервени лазери, които не се влияят от никакви движещи се механични части.“