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科学家开发出可输出高功率中红外激光的新方法

近日,由新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)领导的一组科学家开发了一种新方法,该方法能生成强烈的超快激光,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。

目前,红外范围内的激光已具备在几分钟内分析空气中各种物质的能力,无论是温室气体、有毒物质、爆炸物还是与人体健康相关的气体。

其中,高功率的中红外激光器尤为关键,它们支持着高度敏感的远程探测设备,可安全地检测出即使是微量的物质,这些物质在普通条件下可能难以察觉。

然而,当前制造这种激光器的技术面临挑战。一方面,部分方法需要严格的实验室环境,无法容忍任何形式的干扰,如振动、温度或湿度的变化,这限制了其在实际环境中的应用。另一方面,虽然有些方法能在不稳定的环境中产生激光,但其强度却不足以精确检测微量物质。

新加坡南洋理工大学的研究团队在Chang Wonkeun助理教授的带领下,通过采用特制的空心光纤并调整其内部结构的厚度,成功解决了上述难题。这种新方法能在中红外范围内产生高亮度的激光,无需依赖稳定的实验室环境。

Chang教授表示:“我们的技术为便携式、高效且快速的中红外激光器的开发提供了新途径。这些激光器无需在严格的控制环境下运行,因此可以与探测器结合,在现场直接用于测试和识别各种未知物质。这意味着,即使对于微量的物质,我们也不再需要将样品送到实验室进行检测,大大节省了时间和资源。”

空心光纤技术,使得中红外激光器(波长为2-20微米)在探测物质时展现出显著优势。许多分子对中红外范围内的激光具有独特的吸收特性,使得这种激光在识别未知物质时尤为有效。此外,即使物质中存在水分,中红外激光也能准确识别,不受水分子干扰。

Chang Wonkeun助理教授通过计算机模拟发现,通过改变空心光纤微型管的壁厚,可以将近红外激光转换为高功率的中红外激光。实验结果表明,他们成功制造出了波长为3-4微米的中红外激光器,其峰值功率高达兆瓦级,远超标准灯泡的功率。

里摩日大学的ssambastien fsamvrier教授评价称,南洋理工大学团队的方法与传统的复杂非线性安排截然不同,为制造稳定的中红外激光器提供了新的思路。此外,由于空心光纤可以相互拼接,这为生产无移动机械部件的中红外激光器提供了可能。

实验数据显示,该团队制造的中红外激光器比现有技术强约1000倍,其功率足以在远距离内探测到微量物质。Chang教授进一步指出:“凭借如此高强度的激光,我们可以实现前所未有的灵敏度,并有望利用这些设备安全地检测那些传统方法难以发现的微量物质。”

这项研究成果不仅为开发更精确的环境监测设备提供了技术支持,还可能在健康监测领域发挥重要作用。例如,通过检测呼吸中的甲烷含量,该技术可用于结直肠癌的早期筛查。

展望未来,研究团队计划进一步拓展中红外激光器的波长范围,以提高其探测能力。张助理教授认为,理论上该方法可产生波长达10微米的中红外激光,这将进一步拓宽其在环境监测、安全检测等领域的应用范围。

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