Nanyangin teknillinen yliopisto kehittää uutta menetelmää erittäin intensiivisten, erittäin nopeiden lasereiden valmistamiseksi

Tällä hetkellä keski-infrapuna-alueella säteilevät laserit pystyvät tunnistamaan ilmassa olevat aineet muutamassa minuutissa - olivatpa ne kasvihuonekaasusaasteita, myrkkyjä, räjähteitä tai kaasuja, jotka liittyvät ihmisen hengityksestä löytyviin sairauksiin.
Ultranopeilla pulsseilla syntyvillä suuritehoisilla keski-infrapunalasereilla on suuri kysyntä, koska ne tukevat erittäin herkkiä laitteita, jotka voivat tunnistaa turvallisesti kaukaa jopa pieniä määriä aineita, jotka muuten jäisivät huomaamatta tai joita olisi vaikea tunnistaa.
Äskettäin NTU Singaporen johtamat tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän intensiivisten ja ultranopeiden lasereiden tuottamiseksi. He sanovat, että tällä menetelmällä "lupaus luoda tarkkoja laitteita, jotka voivat nopeuttaa epäpuhtauksien ja haitallisten kaasujen haistamista."
Nykyisillä perinteisillä menetelmillä tällaisten laserien tuottamiseksi on kuitenkin omat puutteensa: yksi menetelmä vaatii laboratorio-olosuhteita, joissa ei ole häiriöitä, jotka voivat vääristää tarkkuuskalibroitujen laitteiden kohdistusta (esim. tärinää, lämpötilan/kosteuden vaihtelua) – eli lasereita ei voida käyttää. laboratorion ulkopuolella.
Toinen menetelmä voi tuottaa lasereita samalla, kun se selviytyy ympäristöhäiriöistä, kuten tärinästä, mutta ne eivät ole tarpeeksi vahvoja havaitsemaan tarkasti pieniä määriä aineita. Nanyangin teknillisen yliopiston uusi tutkimus on käsitellyt näitä haasteita.
Tulokset on julkaistu Lasers ＆ Photonics Reviews -lehdessä.
Tutkijat käyttivät erityisesti valmistettuja onttoja optisia kuituja tuottamaan erittäin kirkasta laservaloa keski-infrapuna-alueella säätämällä kuidun neutronirakenteen paksuutta.
Chang Wonkeun, Nanyangin teknologisen yliopiston sähkö- ja elektroniikkatekniikan korkeakoulun apulaisprofessori, joka johti tätä viimeisintä tutkimusta, sanoi: "Lähestymistapamme tasoittaa tietä kannettavien, tehokkaiden ja nopeiden keski-infrapunalasergeneraattoreiden kehittämiselle, jotka eivät ole riippuvaisia hyvin hallitut ja tärinättömät ympäristöt toiminnan ylläpitämiseksi."
"Tämä tarkoittaa, että voimme yhdistää ne ilmaisimiin ja käyttää niitä kentällä auttamaan monenlaisten tuntemattomien aineiden testaamisessa ja tunnistamisessa. Samaan aikaan ei tarvitse käyttää ylimääräistä aikaa näytteiden lähettämiseen laboratorioon testattavaksi, edes jälkiä."
Tunnistuksen edut
Keski-infrapunalaserit, joiden aallonpituudet vaihtelevat 2 um{2}}um:sta, tarjoavat etuja muihin lasereihin verrattuna aineiden havaitsemisessa. Monet erityyppiset molekyylit absorboivat lasereita keski-infrapuna-alueella ainutlaatuisella tavalla, enemmän kuin muita aallonpituuksia, mikä on ominaisuus, jota voidaan käyttää tuntemattomien aineiden tunnistamiseen. Lisäksi, vaikka näissä aineissa on vettä, toisin kuin muissa lasereissa, vesimolekyylit eivät vaikuta aineiden tunnistamisen tarkkuuteen keski-infrapunalasereilla.
Yksi tapa tuottaa suuritehoisia keski-infrapunalasereita nopeissa purskeissa on - lähettää kirkasta ja ultranopeaa lähi-infrapunasäteilyä optisen kuidun kautta, jolla on lyhyt aallonpituus. Keski-infrapunalaserit, jotka tuotetaan optisilla kuiduilla, joissa on kiinteä lasikeskus, eivät yleensä ole kovin vahvoja, mikä vaikeuttaa pienten ainemäärien tarkkaa havaitsemista.
Korkean intensiteetin keski-infrapunalaserien tuottamiseen tarvitaan yleensä häiriötön ympäristö, mikä rajoittaa lasereiden käytön laboratorioon ja vaikeuttaa tiettyjen sovellusten toteuttamista. Professori Zhang Nanyangin teknologisesta yliopistosta ratkaisi nämä ongelmat käyttämällä onttoja lasikuituja. Hän havaitsi tämän, kun hän käytti tietokonesimulaatioita määrittääkseen lähi-infrapunasäteilyn tyypin, joka saattaa syntyä, kun se kulkee onttojen kuitujen läpi.
Aallonpituuden muunnos
Toisin kuin perinteiset optiset kuidut, tässä putkimaisessa ontossa kuidussa on pienempien lasiputkien rengas kuidun onton keskikohdan ympärillä. Simulaatiot osoittivat, että vaihtelemalla kuidun miniputkien seinämän paksuutta olisi lupaavaa muuntaa lähi-infrapunalaserit tehokkaiksi, ultranopeiksi keski-infrapunalasereiksi.
Hänen tiiminsä suoritti sitten kokeita, joissa onttojen ydinkuitujen keskukset täytettiin argonkaasulla, ja tutkijat pystyivät vahvistamaan simulaatioiden ennusteet. He loivat keski-infrapunalaserin, jonka huipputeho on megawattialueella ja aallonpituus 3 um{2}um, miljoona kertaa tehokkaampi kuin tavallinen hehkulamppu.
Tämä lasermuunnos tapahtuu, koska lähi-infrapunalaser on vuorovaikutuksessa optisen kuidun muodon kanssa, mikä muuttaa laserin keski-infrapunavaloksi jännittävien argonkaasumolekyylien avulla. Mikroputkien paksuus liittyy hieman yli kaksi kertaa tuotetun keski-infrapunalaservalon aallonpituuteen - joten miniputki, jonka seinämän paksuus on 1,6 um, tuottaa laservaloa noin 3,7 um:n huippuaallonpituudella.
Professori ssambastien fsamvrier (Limogesin yliopistosta), pitkäaikainen keski-infrapunalaserien tutkija, sanoi, että Nanyangin teknillisen yliopiston ryhmän menetelmä tuottaa lasereita "on jyrkkä vastakohta laitteille, jotka yleensä sisältävät monimutkaisia ​​epälineaarisia järjestelyjä".
Professori ssambastien fsamvrier sanoi: "Lisäksi, koska optiset kuidut voidaan liittää toisiinsa, nämä tulokset tasoittavat tietä keski-infrapunalaserien luomiselle, joihin liikkuvat mekaaniset osat eivät vaikuta."