利用产生强大激光的新方法现场检测有害气体

南洋理工大学新加坡分校研究中用于产生高强度和超快中红外激光的实验装置。绿色激光用于校准该装置的光学设备。资料来源：新加坡国立大学

由新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）领导的科学家们开发出了一种新方法，可以产生高强度、超快速激光，有望制造出精确的设备，加快嗅出痕量污染物和有害气体的速度。

目前，由红外线范围中间的不可见光组成的激光可用于在几分钟内找出空气中的物质，无论是温室气体污染物、有毒物质、爆炸物，还是在人的呼吸中发现的与疾病相关的气体。

超高速产生的高功率中红外激光非常关键，因为它们是非常灵敏的设备的基础，可以从远处安全地检测到即使是微量的物质，否则就会被忽视或难以识别。

然而，产生这种激光的方法目前还存在缺陷。其中一种方法要求实验室条件不受干扰，如振动，甚至温度和湿度的变化，这些干扰会使经过精密校准的设备发生偏差。这意味着激光器不能在实验室外使用。

另一种方法可以在产生激光的同时应对振动等环境干扰，但其强度不足以准确检测微量物质。

南洋理工大学新加坡分校科学家的新研究解决了这些难题。

研究人员使用特制的空心光纤，调整光纤中子结构的厚度，在电磁波谱的中红外线范围内产生非常明亮的激光。

南洋理工大学新加坡分校电气与电子工程学院的研究员 Deng Ang 博士在用绿激光校准实验装置中的光学设备。该装置用于产生强烈和超快的中红外激光。图片来源：新加坡国立大学

"我们的方法为开发便携式、功能强大且快速的中红外激光发生器铺平了道路，这种发生器不需要控制良好且无振动的环境即可工作，"领导最新研究的南洋理工大学电气与电子工程学院助理教授Chang Wonkeun说。

"这意味着我们可以将它们与检测器配对，在现场使用，帮助当场同时检测和识别各种未知物质，即使是痕量物质，也无需花费额外时间将样本送往实验室检测。"

这项研究的论文发表在《激光与光子学评论》（Lasers & Photonics Reviews）上。

空芯光纤

波长为 2-20 微米的中红外激光器在检测物质方面比其他激光器更具优势。

许多不同类型的分子以独特的方式吸收中红外波段的激光，比其他波段的激光吸收得更多，这一特点可用于识别未知物质。此外，即使这些物质中含有水，使用中红外激光识别物质的准确性也不会受到水分子的影响，这一点与其他激光不同。

一种快速产生高功率中红外激光的方法是通过光纤照射波长较短的明亮而超快的近红外辐射。

(左起）研究员 Deng Ang 博士、南洋大学助理教授 Chang Wonkeun 和来自南洋理工大学新加坡分校电气与电子工程学院的高级研究员 Trivikramarao Gavara 博士，以及用于产生高强度和超快中红外激光的实验装置。图片来源：新加坡国立大学

以固体玻璃为中心的光纤产生的中红外激光器通常功率不大，因此难以准确检测少量物质。

要产生高强度的中红外激光，通常需要一个没有干扰的环境，这就限制了激光在实验室中的使用。

张副教授利用空心玻璃纤维解决了这些问题。他在进行计算机模拟以确定近红外辐射通过空芯光纤时可能产生的辐射类型时发现了这一点。

与传统光纤不同的是，管状空芯光纤的内壁有一圈较小的玻璃管环绕着光纤的空心。

通过改变光纤微型管壁的厚度，张助教的模拟结果表明，将近红外激光转换成强大、超快的中红外激光是可能的。

他的团队随后进行了实验，在空芯光纤的中心填充了氩气，科学家们证实了模拟的预测。他们产生了波长为 3-4 微米的中红外激光，峰值功率达到兆瓦级，大约是标准灯泡功率的一百万倍。

发生这种激光转换的原因是，近红外激光与光纤的形状相互作用，使氩气分子通电，从而使激光转换为中红外激光。

(左起）研究员 Deng Ang 博士、南洋大学助理教授 Chang Wonkeun 和南洋理工大学新加坡分校电气与电子工程学院高级研究员 Trivikramarao Gavara 博士与用于产生高强度和超快中红外激光的实验装置。邓博士正在用绿色激光校准装置中的光学设备。图片来源：新加坡国立大学

微型管的厚度是所产生的中红外激光波长的两倍多一点。因此，壁厚为 1.6 微米的微型管产生的激光波长峰值约为 3.7 微米。

研究中红外激光的利摩日大学教授塞巴斯蒂安-费弗里耶（Sébastien Février）没有参与张助教的研究，他说，南洋理工大学团队的激光生成方法 "与涉及复杂非线性排列的通常设置形成了鲜明对比"。

"费弗里埃教授说："此外，由于光纤可以相互拼接，这些成果为生成没有任何活动机械部件的中红外激光器铺平了道路。

根据实验数据，研究人员的超快中红外激光器的功率比使用带固体芯的光纤的现有方法产生的激光器高出约 1000 倍。

与目前用于检测有害物质的手持设备的中红外光相比，这种激光的功率要高出许多数量级--可能是一百万倍。由于中红外光功率较低，这些便携式设备无法探测 100 米以外的物质。

"张副教授说："有了高强度激光，我们就能实现高灵敏度，并有可能在设备中使用激光安全地检测到极少量的物质，而现有方法产生的激光或光很难检测到这些物质。

科学家们生产 3-4 微米中红外激光器的方法为开发更准确、更精确的传感器开辟了道路，这些传感器可用于监测环境中的污染物，也可能用于健康监测。

新加坡南洋理工大学中红外激光实验中使用的空芯光纤横截面扫描电子显微镜照片。沿着光纤芯的内壁，可以看到由七个较小的管子组成的环状结构。资料来源：新加坡国立大学

他们的激光器可以用来帮助识别甲烷等温室气体，因为甲烷可以很好地吸收这个范围内的中红外辐射。由于人的呼吸中发现的甲烷与结肠直肠癌有关，这种激光器还可以提供一种通过呼吸分析来监测人的健康状况的方法。

未来，科学家们计划开展进一步研究，生产波长更长、亮度更高的中红外激光器。

张副教授认为，从理论上讲，他的方法可以产生长达10微米的中红外激光。

这种激光将扩大可识别物质的范围，包括可能在工业工作场所事故中泄漏的甲醛等化学物质和TNT炸药等危险物质，它们吸收的中红外辐射波长分别约为6微米和8微米。

费弗里埃教授说，如果所产生激光的波长谱能拓宽到10微米，"在各种可能性中，显然可以利用北大团队的新型光源来检测空气中可能存在的有害化合物"。

参考资料

Ang Deng et al, Microjoule‐Level Mid‐Infrared Femtosecond Pulse Generation in Hollow‐Core Fibers, Laser & Photonics Reviews (2023). DOI: 10.1002/lpor.202200882

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。