通过产生强大激光的新方法可以现场检测有害气体
新加坡南洋理工大学(NTUSingapore)领导的科学家们开发出了一种产生强超快激光的新方法，有望制造出能够加快微量污染物和有害气体嗅出速度的精密设备。
目前，由红外范围中间的不可见光组成的激光可以在几分钟内找出空气中的物质，无论是温室气体污染物、有毒物质、爆炸物还是与人呼吸中发现的疾病有关的气体。
以超快脉冲产生的高功率中红外激光器至关重要，因为它们支撑着非常敏感的设备，这些设备可以从远处安全地检测到即使是微量的物质，否则这些物质会被忽视或难以识别。
然而，目前产生此类激光的方法还存在缺陷。一种方法要求实验室条件不受干扰(例如振动，甚至温度和湿度的变化)，这些干扰可能会使精密校准的设备失准。这意味着激光器不能在实验室外使用。
另一种方法可以在产生激光的同时应对振动等环境干扰，但其强度不足以准确检测微量物质。
新加坡南洋理工大学领导的科学家通过新研究解决了这些挑战。
研究人员使用特制的空心光纤，调整光纤中子结构的厚度，以产生电磁波谱中红外范围内非常明亮的激光。
南洋理工大学电气与电子工程学院南洋助理教授ChangWonkeun表示：“我们的方法为开发便携式、强大且快速的中红外激光发生器铺平了道路，这些激光发生器不需要良好控制和无振动的环境即可工作。”，谁领导了最新的研究。
“这意味着我们可以将它们与探测器配对，并在现场使用它们来帮助现场测试和识别各种未知物质，即使是痕量物质，也无需花费额外的时间将样品发送到实验室进行检测。测试。”
该研究发表在《激光与光子学评论》印刷版上。
空心纤维
中红外激光器的波长为2-20微米，在检测物质方面比其他激光器具有优势。
许多不同类型的分子以独特的方式吸收中红外范围内的激光，比其他波长的激光吸收得更多，这种特性可用于识别未知物质。此外，即使这些物质中存在水，使用中红外激光识别物质的准确性也不会受到水分子的影响，这与其他激光不同。
以非常快的速度产生高功率中红外激光器的一种方法是通过光纤发出明亮且超快的近红外辐射，其波长较短。
具有实心玻璃中心的光纤产生的中红外激光通常功率不大，这使得精确检测少量物质变得困难。
为了产生高强度中红外激光器，通常需要一个无干扰的环境，这将激光器的使用限制在实验室内。
张助理教授使用空心玻璃纤维解决了这些问题。当他进行计算机模拟以确定近红外辐射穿过空心光纤时可能产生的辐射类型时，他发现了这一点。
与传统光纤不同，管状空心光纤的内壁在光纤的空心中心周围有一圈较小的玻璃管。
通过改变光纤微型管的壁厚，张助理教授的模拟表明，将近红外激光转换为强大的超快中红外激光是可能的。
他的团队后来进行了实验，用氩气填充空心纤维的中心，科学家们能够证实模拟的预测。他们生产出波长为3-4微米、峰值功率在兆瓦范围内的中红外激光器，其功率大约是标准灯泡的一百万倍。
这种激光转换的发生是因为近红外激光与光纤形状相互作用，为氩气分子提供能量，导致激光变为中红外。
微型管的厚度与所产生的中红外激光波长的两倍多相关。因此，壁厚为1.6微米的微型管会产生波长峰值约为3.7微米的激光。
利摩日大学的SébastienFévrier教授研究中红外激光，并未参与张助理教授的研究，他表示南洋理工大学团队的激光生成方法“与涉及复杂非线性的通常设置形成鲜明对比”的安排。”
Février教授表示：“此外，由于光纤可以相互拼接，这些结果为产生无需任何移动机械部件的中红外激光器铺平了道路。”
根据实验数据，研究人员的超快中红外激光器的功率比使用实心光纤的现有方法产生的激光器强约1000倍。
这些激光器的功率应该比目前用于检测有害物质的手持设备中使用的中红外光强大许多数量级——可能是一百万倍。由于中红外光功率较低，这些便携式设备无法检测100米以外的物质。
“利用高强度激光，我们可以实现高灵敏度，并有可能在设备中使用激光来安全地检测现有方法产生的激光或光难以检测到的极少量物质，”张助理教授说。
科学家们生产3-4微米中红外激光的方法为开发更准确和精确的传感器开辟了道路，这些传感器可以密切关注环境中的污染物，并可能用于健康监测。
他们的激光器可用于帮助识别甲烷等温室气体，这些气体可以很好地吸收该范围内的中红外辐射。由于人的呼吸中发现的甲烷与结直肠癌有关，因此激光还可以提供一种通过呼吸分析来监测人们健康状况的方法。
未来，科学家们计划进行进一步的研究，生产波长更长、更亮的中红外激光器。
张助理教授认为，理论上他的方法可以产生高达10微米的中红外激光。
此类激光器将扩大可识别物质的范围，包括可能在工业工作场所事故中泄漏的甲醛等化学物质，以及TNT炸药等危险物质，它们分别吸收波长约为6微米和8微米的中红外辐射。
Février教授表示，如果所产生的激光的波长谱可以拓宽至10微米，“在各种可能性中，很明显，南洋理工大学团队的新型光源可用于检测空气中可能有害的化合物。”