Die Nanyang Technological University entwickelt eine neue Methode zur Herstellung ultraintensiver, ultraschneller Laser

Derzeit können im mittleren Infrarotbereich emittierte Laser Substanzen in der Luft innerhalb von Minuten identifizieren – egal, ob es sich um Treibhausgase, Giftstoffe, Sprengstoffe oder krankheitsassoziierte Gase handelt, die im menschlichen Atem vorkommen.
Hochleistungslaser im mittleren Infrarotbereich, die in ultraschnellen Pulsen erzeugt werden, sind sehr gefragt, da sie hochempfindlichen Geräten zugrunde liegen, die selbst Spuren von Substanzen, die sonst unbemerkt bleiben oder schwer zu identifizieren wären, aus der Ferne sicher erkennen können.
Kürzlich haben Wissenschaftler unter der Leitung der NTU Singapur eine neue Methode zur Herstellung intensiver und ultraschneller Laser entwickelt. Sie sagen, dass diese Methode „das Versprechen verspricht, präzise Geräte zu schaffen, die das Aufspüren von Spuren von Schadstoffen und schädlichen Gasen beschleunigen können.“
Die derzeitigen herkömmlichen Methoden zur Erzeugung solcher Laser weisen jedoch ihre eigenen Mängel auf: Eine Methode erfordert Laborbedingungen, die frei von Störungen sind, die zu einer Fehlausrichtung präzisionskalibrierter Geräte führen können (z. B. Vibrationen, Temperatur-/Feuchtigkeitsschwankungen) – was bedeutet, dass die Laser nicht verwendet werden können außerhalb des Labors.
Mit der anderen Methode können Laser erzeugt werden, während Umwelteinflüsse wie Vibrationen bewältigt werden, sie sind jedoch nicht stark genug, um Spurenmengen von Substanzen genau zu erkennen. Neue Forschungsergebnisse der Nanyang Technological University haben sich diesen Herausforderungen angenommen.
Die Ergebnisse werden in Lasers ＆ Photonics Reviews veröffentlicht.
Die Forscher nutzten speziell gefertigte optische Hohlfasern, um sehr helles Laserlicht im mittleren Infrarotbereich zu erzeugen, indem sie die Dicke der Neutronenstruktur der Faser anpassten.
Chang Wonkeun, Assistenzprofessor an der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik der Nanyang Technological University, der diese neueste Studie leitete, sagte: „Unser Ansatz ebnet den Weg für die Entwicklung tragbarer, leistungsstarker und schneller Lasergeneratoren im mittleren Infrarotbereich, die nicht darauf angewiesen sind gut kontrollierte und vibrationsfreie Umgebungen zur Aufrechterhaltung des Betriebs.“
„Das bedeutet, dass wir sie mit Detektoren koppeln und vor Ort einsetzen können, um eine Vielzahl unbekannter Substanzen zu testen und zu identifizieren. Gleichzeitig ist es nicht nötig, zusätzliche Zeit damit zu verbringen, Proben zum Testen ins Labor zu schicken, auch nicht.“ Spurenmengen.“
Vorteile der Erkennung
Laser im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen ab 2 µm bieten Vorteile gegenüber anderen Lasern bei der Erkennung von Substanzen. Viele verschiedene Arten von Molekülen absorbieren Laser im mittleren Infrarotbereich auf einzigartige Weise, stärker als andere Wellenlängen, eine Eigenschaft, die zur Identifizierung unbekannter Substanzen genutzt werden kann. Selbst wenn in diesen Substanzen Wasser vorhanden ist, wird die Genauigkeit der Identifizierung von Substanzen mithilfe von Lasern im mittleren Infrarotbereich im Gegensatz zu anderen Lasern nicht durch Wassermoleküle beeinträchtigt.
Eine Möglichkeit, Hochleistungslaser im mittleren Infrarotbereich in schnellen Stößen zu erzeugen, besteht darin, helle und ultraschnelle Strahlung im nahen Infrarotbereich durch eine optische Faser mit kurzer Wellenlänge zu emittieren. Mittelinfrarotlaser, die aus optischen Fasern mit massiven Glaszentren erzeugt werden, sind normalerweise nicht sehr stark, was die genaue Erkennung kleiner Materiemengen erschwert.
Um hochintensive Laser im mittleren Infrarotbereich herzustellen, ist in der Regel eine störungsfreie Umgebung erforderlich, was den Einsatz von Lasern auf das Labor beschränkt und die Realisierung spezifischer Anwendungen erschwert. Professor Zhang von der Nanyang Technological University löste diese Probleme durch den Einsatz von Hohlglasfasern. Dies entdeckte er, als er mithilfe von Computersimulationen die Art der Nahinfrarotstrahlung ermittelte, die beim Durchgang durch die Hohlfasern entstehen könnte.
Wellenlängenkonvertierung
Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Fasern verfügt diese röhrenförmige Hohlfaser über einen Ring aus kleineren Glasröhren um die hohle Mitte der Faser. Simulationen zeigten, dass es durch Variation der Wandstärke der Miniaturröhren der Faser vielversprechend wäre, Nahinfrarotlaser in leistungsstarke, ultraschnelle Mittelinfrarotlaser umzuwandeln.
Anschließend führte sein Team Experimente durch, bei denen die Zentren der Hohlkernfasern mit Argongas gefüllt wurden, und die Wissenschaftler konnten die Vorhersagen der Simulationen bestätigen. Sie entwickelten einen Laser im mittleren Infrarotbereich mit einer Spitzenleistung im Megawattbereich und einer Wellenlänge von 3 um{2}um, einer Million Mal stärker als eine Standardglühbirne.
Diese Laserumwandlung erfolgt, weil der Nahinfrarotlaser mit der Form der optischen Faser interagiert, die den Laser durch Anregung von Argongasmolekülen in Licht im mittleren Infrarot umwandelt. Die Dicke der Mikroröhren entspricht etwas mehr als der doppelten Wellenlänge des erzeugten Laserlichts im mittleren Infrarotbereich – eine Miniröhre mit einer Wandstärke von 1,6 µm erzeugt also Laserlicht mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 3,7 µm.
Prof. Ssambastien Fsamvrier (von der Universität Limoges), ein langjähriger Forscher auf dem Gebiet der Laser im mittleren Infrarotbereich, sagte, dass die Methode des Teams der Nanyang Technological University zur Erzeugung von Lasern „in scharfem Kontrast zu Geräten steht, die normalerweise komplexe nichtlineare Anordnungen beinhalten“.
Prof. Ssambastien Fsamvrier sagte: „Da außerdem optische Fasern miteinander gespleißt werden können, ebnen diese Ergebnisse den Weg für die Erzeugung von Lasern im mittleren Infrarotbereich, die nicht durch bewegliche mechanische Teile beeinträchtigt werden.“