在環(huán)境監(jiān)測和安全檢測領(lǐng)域，超快超強(qiáng)激光器對于精確探測微量有害物質(zhì)至關(guān)重要。近日，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新方法來產(chǎn)生強(qiáng)激光和超快激光。該團(tuán)隊(duì)表示，這一技術(shù)極有可能催生出新型高精度設(shè)備，能夠快速準(zhǔn)確地探測痕量污染物和有害氣體。

提升中紅外激光的現(xiàn)場檢測能力

目前，在中紅外光譜區(qū)發(fā)射的激光已能在數(shù)分鐘之內(nèi)鑒別空氣中的各類成分，無論是溫室氣體、有毒物質(zhì)、爆炸物，還是與人類呼吸疾病相關(guān)的標(biāo)志物氣體。高功率中紅外激光器因其是構(gòu)建高度敏感設(shè)備的基石而備受歡迎，采用超快超強(qiáng)的中紅外激光器能夠?qū)崿F(xiàn)在安全的距離內(nèi)探測到易被忽視或難以識別的微量物質(zhì)。

然而，目前產(chǎn)生這種激光的常規(guī)方法存在不足。一種方法需要在無任何干擾的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，振動干擾、甚至是溫度與濕度的微小變化都可能導(dǎo)致精密設(shè)備的校準(zhǔn)發(fā)生偏移。這就意味著這些激光器無法在實(shí)驗(yàn)室外環(huán)境中使用。而另一種技術(shù)雖能在振動等環(huán)境干擾中產(chǎn)生激光，但其強(qiáng)度不足，不能精確檢測到微量物質(zhì)。南洋理工大學(xué)的最新研究攻克了這些難題，研究團(tuán)隊(duì)采用了精心設(shè)計(jì)的空芯光纖，并通過精確調(diào)節(jié)光纖內(nèi)微結(jié)構(gòu)的厚度來產(chǎn)生強(qiáng)度高、亮度足的中紅外激光。相關(guān)成果以"Microjoule-Level mid-Infrared Femtosecond Pulse Generation in Hollow-Core Fibers"為題發(fā)表在Laser & Photonics Review上。

南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的助理教授Chang Wonkeun領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)創(chuàng)新研究。他表示：“我們的研究方法為開發(fā)一種既便攜又強(qiáng)大、快速響應(yīng)的中紅外激光發(fā)生器鋪平了道路，這種激光發(fā)生器無需在精確控制且無振動的環(huán)境下運(yùn)作。這使我們能夠?qū)⒓す獍l(fā)生器與探測器相結(jié)合，直接使用它們檢測和鑒定各種未知物質(zhì)，即便是痕量物質(zhì)也能迅速識別，無需將樣本送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行繁瑣的測試。”

圖1 研究團(tuán)隊(duì)：從左到右，研究員Deng Ang博士，助理教授Chang Wonkeun和高級研究員Trivikramarao Gavara博士

中紅外激光器的物質(zhì)檢測優(yōu)勢及其強(qiáng)度提升

中紅外激光器以其2 µm ~ 20 µm的波長，在物質(zhì)檢測領(lǐng)域突顯出了獨(dú)特優(yōu)勢。不同類型的分子會在中紅外區(qū)域有特定的吸收特性，這使得中紅外激光器能更有效地識別未知物質(zhì)。此外，中紅外激光在探測物質(zhì)時(shí)不會受到水分子的干擾，這是其它波長激光器所不具備的。

傳統(tǒng)上，生成這種激光通常依賴于發(fā)出明亮且超快的近紅外輻射的光纖，但這些光纖的固體玻璃中心使得產(chǎn)生的中紅外激光強(qiáng)度不足，難以對微量物質(zhì)進(jìn)行精確檢測。要提高中紅外激光的強(qiáng)度，一般需要在無振動、溫度和濕度得到嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中操作。

南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用了空芯玻璃光纖，在克服傳統(tǒng)技術(shù)局限的同時(shí)，提高了中紅外激光的生成效率。Chang Wonkeu利用計(jì)算機(jī)模擬，確定了近紅外輻射通過這些空心纖維時(shí)的最佳條件，成功產(chǎn)生了所需的高強(qiáng)度中紅外激光。這一進(jìn)步為中紅外激光器的實(shí)際應(yīng)用，特別是在現(xiàn)場快速識別微量物質(zhì)的能力，提供了新的可能性。

空芯光纖技術(shù)在中紅外激光波長轉(zhuǎn)換中的創(chuàng)新

與傳統(tǒng)光纖相比，這種管狀的空芯光纖在其空心中心周圍內(nèi)壁上有一圈細(xì)小的玻璃管。Chang Wonkeun通過改變微型管壁的厚度，在模擬中證明了將近紅外激光轉(zhuǎn)換成強(qiáng)大且超快的中紅外激光是可能的�？招睦w維的掃描電子顯微鏡（SEM）照片（圖2）展示了其精確結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)隨后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將氬氣注入空芯光纖，成功驗(yàn)證了模擬預(yù)測的準(zhǔn)確性。他們生成的中紅外激光器的峰值功率達(dá)到了兆瓦級，波長為3 µm ~ 4 µm，功率比標(biāo)準(zhǔn)燈泡高100萬倍。

圖2 空心光纖橫截面的SEM照片

這種激光轉(zhuǎn)換過程是通過近紅外激光與光纖的結(jié)構(gòu)相互作用，激發(fā)氬氣分子，從而將激光波長轉(zhuǎn)換到中紅外范圍。微管的壁厚與產(chǎn)生的中紅外激光波長密切相關(guān)，大約是波長的2倍多。例如，壁厚為1.6 µm的微型管能夠產(chǎn)生峰值波長約為3.7 µm的激光。

未參與項(xiàng)目研究的法國利摩日大學(xué)教授ssambastien fsamvrier認(rèn)為：“在傳統(tǒng)中紅外激光器的生成過程中，常常需要用到一些復(fù)雜的裝置和配置，這些裝置依賴于非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生所需波長的激光，而南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)的激光生成方法與其形成了鮮明對比。此外，由于光纖可以被拼接在一起，這項(xiàng)研究成果為生產(chǎn)不受任何移動機(jī)械部件影響的中紅外激光器鋪平了道路。”

文章來源：激光評論

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