Tehnološko sveučilište Nanyang razvija novu metodu za proizvodnju ultra-intenzivnih, ultra-brzih lasera

Trenutačno laseri emitirani u srednjem infracrvenom rasponu mogu identificirati tvari u zraku u roku od nekoliko minuta - bilo da su zagađivači stakleničkih plinova, toksini, eksplozivi ili plinovi povezani s bolestima koji se nalaze u ljudskom dahu.
Srednje infracrveni laseri velike snage koji se generiraju u ultrabrzim impulsima vrlo su traženi jer podupiru visokoosjetljive uređaje koji mogu sigurno detektirati iz daljine čak i tragove tvari koje bi inače ostale nezamijećene ili bi ih bilo teško identificirati.
Nedavno su znanstvenici pod vodstvom NTU Singapore razvili novu metodu za proizvodnju intenzivnih i ultrabrzih lasera. Ova metoda, kažu oni, "obećava stvaranje preciznih uređaja koji mogu ubrzati njuškanje tragova kontaminanata i štetnih plinova."
Međutim, trenutne konvencionalne metode za generiranje takvih lasera imaju svoje nedostatke: jedna metoda zahtijeva laboratorijske uvjete bez smetnji koje mogu pogrešno uskladiti precizno kalibriranu opremu (npr. vibracije, varijacije temperature/vlažnosti) - što znači da se laseri ne mogu koristiti izvan laboratorija.
Druga metoda može generirati lasere dok se nosi s okolišnim smetnjama poput vibracija, ali oni nisu dovoljno jaki da točno otkriju tragove tvari. Novo istraživanje Tehnološkog sveučilišta Nanyang bavilo se ovim izazovima.
Rezultati su objavljeni u Lasers ＆ Photonics Reviews.
Istraživači su koristili posebno izrađena šuplja optička vlakna za generiranje vrlo svijetle laserske svjetlosti u srednjem infracrvenom rasponu podešavanjem debljine neutronske strukture vlakna.
Chang Wonkeun, asistent profesora na Fakultetu za elektrotehniku ​​i elektronički inženjering Tehnološkog sveučilišta Nanyang, koji je vodio ovu najnoviju studiju, rekao je: "Naš pristup utire put razvoju prijenosnih, snažnih i brzih laserskih generatora srednjeg infracrvenog spektra koji se ne oslanjaju na dobro kontrolirana okruženja bez vibracija za održavanje rada."
"To znači da ih možemo upariti s detektorima i koristiti ih na terenu kao pomoć pri testiranju i identificiranju širokog spektra nepoznatih tvari. U isto vrijeme, nema potrebe trošiti dodatno vrijeme na slanje uzoraka u laboratorij na testiranje, čak ni u količine u tragovima."
Prednosti detekcije
Srednji infracrveni laseri, s valnim duljinama u rasponu od 2um-20um, nude prednosti u odnosu na druge lasere u otkrivanju tvari. Mnoge različite vrste molekula apsorbiraju lasere u srednjem infracrvenom području na jedinstven način, više od drugih valnih duljina, što je karakteristika koja se može koristiti za identifikaciju nepoznatih tvari. Nadalje, čak i ako je voda prisutna u tim tvarima, za razliku od drugih lasera, molekule vode ne utječu na točnost identifikacije tvari pomoću lasera srednjeg infracrvenog zračenja.
Jedan od načina za generiranje srednje infracrvenih lasera velike snage u brzim naletima je - emitiranje svijetlog i ultra-brzog bliskog infracrvenog zračenja kroz optičko vlakno, koje ima kratku valnu duljinu. Srednji infracrveni laseri koje proizvode optička vlakna sa središtima od čvrstog stakla obično nisu jako jaki, što otežava točnu detekciju malih količina materije.
Kako bi se proizveli laseri srednjeg infracrvenog zračenja visokog intenziteta, obično je potrebno okruženje bez smetnji, što ograničava upotrebu lasera na laboratorij i otežava realizaciju specifičnih primjena. Profesor Zhang s Tehnološkog sveučilišta Nanyang riješio je te probleme upotrebom šupljih staklenih vlakana. To je otkrio kada je pomoću računalnih simulacija odredio vrstu bliskog infracrvenog zračenja koje bi moglo nastati kada prolazi kroz šuplja vlakna.
Pretvorba valne duljine
Za razliku od konvencionalnih optičkih vlakana, ovo cjevasto šuplje vlakno ima prsten manjih staklenih cijevi oko šupljeg središta vlakna. Simulacije su pokazale da bi mijenjanjem debljine stjenke minijaturnih cijevi vlakana bilo obećavajuće pretvoriti bliske infracrvene lasere u snažne, ultrabrze srednje infracrvene lasere.
Njegov tim potom je proveo eksperimente u kojima su središta šupljih vlakana ispunjena plinom argonom, a znanstvenici su uspjeli potvrditi predviđanja simulacija. Stvorili su srednji infracrveni laser s vršnom snagom u rasponu megavata i valnom duljinom od 3um-4um, milijun puta snažnijim od standardne žarulje.
Ova laserska pretvorba događa se jer bliski infracrveni laser stupa u interakciju s oblikom optičkog vlakna, koje transformira laser u srednje infracrveno svjetlo pobuđujući molekule plina argona. Debljina mikrocijevi povezana je s malo više od dvostruke valne duljine proizvedenog srednjeg infracrvenog laserskog svjetla - tako da minicijev s debljinom stijenke od 1,6 um proizvodi lasersko svjetlo na vršnoj valnoj duljini od oko 3,7 um.
Prof. ssambastien fsamvrier (sa Sveučilišta u Limogesu), dugogodišnji istraživač srednje infracrvenih lasera, rekao je da je metoda generiranja lasera koju provodi tim tehnološkog sveučilišta Nanyang "u oštrom kontrastu s uređajima koji obično uključuju složene nelinearne rasporede".
Prof. ssambastien fsamvrier rekao je: "Osim toga, budući da se optička vlakna mogu međusobno spajati, ovi rezultati utiru put stvaranju srednje infracrvenih lasera na koje ne utječu pokretni mehanički dijelovi."