La Universitat Tecnològica de Nanyang desenvolupa un nou mètode per produir làsers ultra intensos i ultra ràpids

Actualment, els làsers emesos en el rang d'infraroig mitjà poden identificar substàncies a l'aire en qüestió de minuts, ja siguin contaminants de gasos d'efecte hivernacle, toxines, explosius o gasos associats a malalties que es troben en l'alè humà.
Els làsers d'infraroig mitjà d'alta potència generats en polsos ultraràpids tenen una gran demanda perquè sustenten dispositius altament sensibles que poden detectar amb seguretat des de la distància fins i tot traçar quantitats de substàncies que, d'altra manera, passarien desapercebudes o seran difícils d'identificar.
Recentment, científics liderats per NTU Singapur han desenvolupat un nou mètode per produir làsers intensos i ultraràpids. Aquest mètode, diuen, "és la promesa de crear dispositius precisos que puguin accelerar l'ensum de traces de contaminants i gasos nocius".
Tanmateix, els mètodes convencionals actuals per generar aquests làsers tenen els seus propis inconvenients: un mètode requereix condicions de laboratori lliures de pertorbacions que puguin desalinear equips calibrats amb precisió (per exemple, vibracions, variacions de temperatura/humitat), cosa que significa que els làsers no es poden utilitzar. fora del laboratori.
L'altre mètode pot generar làsers mentre s'enfronta a les pertorbacions ambientals, com ara la vibració, però no són prou forts per detectar amb precisió petites quantitats de substàncies. Una nova investigació de la Universitat Tecnològica de Nanyang ha abordat aquests reptes.
Els resultats es publiquen a Lasers ＆ Photonics Reviews.
Els investigadors van utilitzar fibres òptiques buides fabricades especialment per generar llum làser molt brillant en el rang d'infraroig mitjà ajustant el gruix de l'estructura de neutrons de la fibra.
Chang Wonkeun, professor ajudant de l'Escola d'Enginyeria Elèctrica i Electrònica de la Universitat Tecnològica de Nanyang, que va dirigir aquest darrer estudi, va dir: "El nostre enfocament obre el camí per al desenvolupament de generadors làser d'infraroig mitjà portàtils, potents i ràpids que no depenen de entorns ben controlats i sense vibracions per mantenir el funcionament".
"Això significa que podem emparellar-los amb detectors i utilitzar-los al camp per ajudar a provar i identificar una gran varietat de substàncies desconegudes. Al mateix temps, no cal gastar més temps enviant mostres al laboratori per a proves, fins i tot en quantitats rastres".
Avantatges de la detecció
Els làsers d'infraroig mitjà, amb longituds d'ona que oscil·len entre els 2 um-20um, ofereixen avantatges respecte a altres làsers per detectar substàncies. Molts tipus diferents de molècules absorbeixen làsers en el rang d'infraroig mitjà d'una manera única, més que altres longituds d'ona, una característica que es pot utilitzar per identificar substàncies desconegudes. A més, encara que l'aigua estigui present en aquestes substàncies, a diferència d'altres làsers, la precisió d'identificar substàncies mitjançant làsers d'infraroig mitjà no es veu afectada per les molècules d'aigua.
Una manera de generar làsers d'infraroig mitjà d'alta potència en ràfegues ràpides és: emetre radiació infraroja propera brillant i ultra ràpida a través d'una fibra òptica, que té una longitud d'ona curta. Els làsers d'infrarojos mitjans produïts per fibres òptiques amb centres de vidre sòlids solen ser poc forts, cosa que dificulta la detecció precisa de petites quantitats de matèria.
Per produir làsers d'infraroig mitjà d'alta intensitat, normalment es requereix un entorn lliure d'interferències, que limita l'ús de làsers al laboratori i dificulta la realització d'aplicacions específiques. El professor Zhang de la Universitat Tecnològica de Nanyang va resoldre aquests problemes utilitzant fibres de vidre buides. Ho va descobrir quan va utilitzar simulacions per ordinador per determinar el tipus de radiació infraroja propera que es podria produir quan passa a través de les fibres buides.
Conversió de longitud d'ona
A diferència de les fibres òptiques convencionals, aquesta fibra buida tubular té un anell de tubs de vidre més petits al voltant del centre buit de la fibra. Les simulacions van demostrar que en variar el gruix de la paret dels tubs en miniatura de la fibra, seria prometedor convertir làsers d'infraroig proper en làsers d'infraroig mitjà potents i ultraràpids.
Aleshores, el seu equip va realitzar experiments en què els centres de les fibres de nucli buit s'omplien de gas argó i els científics van poder confirmar les prediccions de les simulacions. Van crear un làser d'infrarojos mitjans amb una potència màxima del rang de megawatts i una longitud d'ona de 3um-4um, un milió de vegades més potent que una bombeta estàndard.
Aquesta conversió làser es produeix perquè el làser d'infraroig proper interacciona amb la forma de la fibra òptica, que transforma el làser en llum d'infraroig mitjà excitant molècules de gas argó. El gruix dels microtubs està relacionat amb una mica més del doble de la longitud d'ona de la llum làser d'infraroig mitjà produïda, de manera que un minitub amb un gruix de paret d'1,6 um produeix llum làser a una longitud d'ona màxima d'uns 3,7 um.
El professor ssambastien fsamvrier (de la Universitat de Llemotges), investigador de llarg temps sobre làsers d'infraroig mitjà, va dir que el mètode de generació de làsers de l'equip de la Universitat Tecnològica de Nanyang "contrasta molt amb els dispositius que solen incloure arranjaments no lineals complexos".
El professor ssambastien fsamvrier va dir: "A més, com que les fibres òptiques es poden empalmar entre si, aquests resultats obren el camí per a la generació de làsers d'infraroig mitjà que no es veuen afectats per cap part mecànica mòbil".