Wissenschaftler entwickeln neue Methode zur Ausgabe von Hochleistungslasern im mittleren Infrarotbereich

Kürzlich entwickelte eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung der Nanyang Technological University of Singapore (NTU Singapore) eine neue Methode zur Erzeugung von intensivem, ultraschnellem Laserlicht. Mit dieser Methode soll ein präzises Gerät geschaffen werden, mit dem sich Spuren von Schadstoffen und schädlichen Gasen schneller aufspüren lassen.
Heute sind Laser im Infrarotbereich in der Lage, innerhalb weniger Minuten eine Vielzahl von Stoffen in der Luft zu analysieren – seien es Treibhausgase, Giftstoffe, Sprengstoffe oder gesundheitsgefährdende Gase.
Besonders wichtig sind hier die Hochleistungslaser im mittleren Infrarotbereich, die hochempfindliche Fernerkennungsgeräte unterstützen, mit denen selbst Spurenstoffe sicher erkannt werden können, die unter normalen Bedingungen nur schwer zu erkennen sind.
Die aktuellen Technologien zur Herstellung solcher Laser sind jedoch mit Herausforderungen verbunden. Einerseits erfordern einige der Methoden strenge Laborumgebungen, die keinerlei Störungen wie Vibrationen, Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen vertragen, was ihre Anwendung in realen Umgebungen einschränkt. Andererseits können einige Methoden zwar Laserlicht in instabilen Umgebungen erzeugen, die Intensität ist jedoch nicht stark genug, um Spuren von Substanzen genau zu erkennen.
Ein Forschungsteam der Nanyang Technological University in Singapur unter der Leitung von Assistant Professor Chang Wonkeun hat die oben genannten Herausforderungen erfolgreich gelöst, indem es eine spezielle Hohlfaser verwendete und die Dicke ihrer inneren Struktur anpasste. Mit der neuen Methode kann hochhelles Laserlicht im mittleren Infrarotbereich erzeugt werden, ohne dass eine stabile Laborumgebung erforderlich ist.
„Unsere Technik bietet eine neue Möglichkeit, tragbare, effiziente und schnelle Laser im mittleren Infrarotbereich zu entwickeln“, sagte Prof. Chang. „Diese Laser müssen nicht in einer streng kontrollierten Umgebung betrieben werden und können daher mit Detektoren kombiniert und direkt vor Ort eingesetzt werden, um eine breite Palette unbekannter Substanzen zu testen und zu identifizieren. Das bedeutet, dass wir selbst bei Spurenmengen keine Proben mehr zur Prüfung an Labore schicken müssen, was viel Zeit und Ressourcen spart.“
Hohlfasertechnologie, die es Lasern im mittleren Infrarotbereich (Wellenlängen von 2-20 Mikrometern) ermöglicht, bei der Erkennung von Substanzen erhebliche Vorteile zu erzielen. Viele Moleküle haben einzigartige Absorptionseigenschaften für Laser im mittleren Infrarotbereich, was diese Laser besonders effektiv bei der Identifizierung unbekannter Substanzen macht. Darüber hinaus kann der Mittelinfrarotlaser Substanzen auch in Gegenwart von Wasser genau erkennen, ohne dass es zu Störungen durch Wassermoleküle kommt.
Assistenzprofessor Chang Wonkeun entdeckte durch Computersimulationen, dass es durch Variation der Wandstärke von Hohlfaser-Mikroröhren möglich ist, Nahinfrarotlaser in leistungsstarke Mittelinfrarotlaser umzuwandeln. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass es ihnen gelungen ist, Mittelinfrarotlaser mit einer Wellenlänge von 3-4 Mikrometern und einer Spitzenleistung von bis zu Megawatt zu erzeugen, die die einer herkömmlichen Glühbirne bei weitem übertrifft.
Prof. Ssambastien Fsamvrier von der Universität Limoges erklärte, dass sich der Ansatz des Teams der Nanyang Technological University stark von der traditionellen komplexen nichtlinearen Anordnung unterscheidet und eine neue Denkweise für die Herstellung stabiler Laser im mittleren Infrarotbereich bietet. Da Hohlfasern miteinander verbunden werden können, eröffnet dies zudem die Möglichkeit, Laser im mittleren Infrarotbereich ohne bewegliche mechanische Teile herzustellen.
Experimentelle Daten zeigen, dass die vom Team hergestellten Mittelinfrarotlaser etwa 1.200-mal leistungsstärker sind als bestehende Techniken und stark genug, um Spurenstoffe über weite Distanzen zu erkennen. Prof. Chang bemerkte weiter: „Mit derart hochintensiven Lasern können wir eine beispiellose Empfindlichkeit erreichen und gehen davon aus, dass wir mit diesen Geräten auch Spurenstoffe sicher erkennen können, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erkennen sind.“
Die Ergebnisse dieser Forschung liefern nicht nur technische Unterstützung für die Entwicklung präziserer Geräte zur Umweltüberwachung, sondern könnten auch im Bereich der Gesundheitsüberwachung eine wichtige Rolle spielen. Durch die Erkennung des Methangehalts in der Atemluft könnte die Technik beispielsweise zur Früherkennung von Dickdarmkrebs eingesetzt werden.
In Zukunft plant das Forschungsteam, den Wellenlängenbereich des Mittelinfrarotlasers weiter auszudehnen, um seine Detektionsfähigkeit zu verbessern. Laut Assistenzprofessor Zhang kann die Methode theoretisch Mittelinfrarotlaser mit Wellenlängen von bis zu 10 Mikrometern erzeugen, was ihre Anwendung in Bereichen wie Umweltüberwachung und Sicherheitsdetektion weiter ausweiten wird.