目前，在中红外范围内发射的激光可以在几分钟内确定空气中的物质——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。

高功率的中红外激光在超快脉冲中产生的需求很大，因为它们支撑着高灵敏度的设备，可以从远处安全地探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。

近日，由新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）领导的科学家们已经开发出一种新方法来生产强激光和超快激光。他们表示，这种方法“有望制造出能够加快嗅出微量污染物和有害气体的精确设备”。

然而，目前产生这种激光的常规方法存在其本身的缺陷：其中一种方法需要没有干扰的实验室条件，这些干扰（比如振动、温度／湿度变化）会使精密校准的设备错位——这意味着激光器不能在实验室之外使用。

而另一种方法可以在应对振动等环境干扰的同时产生激光，但其强度却不足以准确检测微量物质。南洋理工大学的新研究已经解决了这些挑战。

该成果发表在《激光与光子学评论》（Lasers ＆ Photonics Reviews）上。

研究人员使用了特殊制造的空心光纤，通过调整光纤中子结构的厚度，来产生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的助理教授Chang Wonkeun领导了这项最新研究，他表示：“我们的方法为开发便携式、强大和快速的中红外激光发生器铺平了道路，这种激光发生器不需要依靠良好的控制和无振动的环境来维持运转。”

“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测试和识别各种各样的未知物质。同时，即使是微量的，也不需要花费额外的时间，将样品送到实验室进行测试。”

检测的优势

中红外激光器的波长为2um－20um，在探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，这一特征可用于识别未知物质。此外，即使水存在于这些物质中，与其他激光不同，使用中红外激光识别物质的准确性不受水分子的影响。

在快速爆发中产生高功率中红外激光器的一种方法是——通过光纤发出明亮和超快的近红外辐射，这种辐射具有较短的波长。具有固体玻璃中心的光纤产生的中红外激光通常不强，这使得精确检测少量物质变得困难。

为了生产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了实验室，而很难实现具体应用。南洋理工的张教授用中空的玻璃纤维解决了这些问题。当他通过计算机模拟来确定近红外辐射通过空心纤维时可能产生的辐射类型时，他发现了这一点。

波长转换

与传统的光纤不同，这种管状的空心光纤的内壁在光纤的空中心周围有一圈较小的玻璃管。模拟表明，通过改变光纤微型管的壁厚，将有望把近红外激光器转换成强大、超快的中红外激光器。

他的团队随后进行了实验，用氩气填充空心芯纤维的中心，科学家们能够证实模拟的预测。他们制造出的中红外激光器，峰值功率在兆瓦范围内，波长为3um－4um，比标准灯泡的功率高100万倍。

这种激光转换的发生是因为近红外激光与光纤的形状相互作用，通过激发氩气分子，使激光转变为中红外光。微管的厚度与产生的中红外激光波长的两倍多一点有关——因此，壁厚为1．6um的迷你管产生的激光峰值波长约为3．7um。

长期研究中红外激光器的ssambastien fsamvrier教授（来自里摩日大学）表示，南洋理工大学团队的激光产生方法“与通常涉及复杂非线性安排的装置形成鲜明对比”。

ssambastien fsamvrier教授表示：“此外，由于光纤可以相互拼接，这些结果为产生不受任何移动机械部件影响的中红外激光器铺平了道路。”