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近日，由新加坡南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家開發(fā)了一種新方法，該方法能生成強烈的超快激光，有望制造出能夠加快“嗅”出微量污染物和有害氣體的精確設(shè)備。
目前，紅外范圍內(nèi)的激光已具備在幾分鐘內(nèi)分析空氣中各種物質(zhì)的能力，無論是溫室氣體、有毒物質(zhì)、爆炸物還是與人體健康相關(guān)的氣體。
其中，高功率的中紅外激光器尤為關(guān)鍵，它們支持著高度敏感的遠程探測設(shè)備，可安全地檢測出即使是微量的物質(zhì)，這些物質(zhì)在普通條件下可能難以察覺。
然而，當前制造這種激光器的技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。一方面，部分方法需要嚴格的實驗室環(huán)境，無法容忍任何形式的干擾，如振動、溫度或濕度的變化，這限制了其在實際環(huán)境中的應(yīng)用。另一方面，雖然有些方法能在不穩(wěn)定的環(huán)境中產(chǎn)生激光，但其強度卻不足以精確檢測微量物質(zhì)。
新加坡南洋理工大學(xué)的研究團隊在Chang Wonkeun助理教授的帶領(lǐng)下，通過采用特制的空心光纖并調(diào)整其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的厚度，成功解決了上述難題。這種新方法能在中紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生高亮度的激光，無需依賴穩(wěn)定的實驗室環(huán)境。
Chang教授表示：“我們的技術(shù)為便攜式、高效且快速的中紅外激光器的開發(fā)提供了新途徑。這些激光器無需在嚴格的控制環(huán)境下運行，因此可以與探測器結(jié)合，在現(xiàn)場直接用于測試和識別各種未知物質(zhì)。這意味著，即使對于微量的物質(zhì)，我們也不再需要將樣品送到實驗室進行檢測，大大節(jié)省了時間和資源。”
空心光纖技術(shù)，使得中紅外激光器(波長為2-20微米)在探測物質(zhì)時展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。許多分子對中紅外范圍內(nèi)的激光具有獨特的吸收特性，使得這種激光在識別未知物質(zhì)時尤為有效。此外，即使物質(zhì)中存在水分，中紅外激光也能準確識別，不受水分子干擾。
Chang Wonkeun助理教授通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)，通過改變空心光纖微型管的壁厚，可以將近紅外激光轉(zhuǎn)換為高功率的中紅外激光。實驗結(jié)果表明，他們成功制造出了波長為3-4微米的中紅外激光器，其峰值功率高達兆瓦級，遠超標準燈泡的功率。
里摩日大學(xué)的ssambastien fsamvrier教授評價稱，南洋理工大學(xué)團隊的方法與傳統(tǒng)的復(fù)雜非線性安排截然不同，為制造穩(wěn)定的中紅外激光器提供了新的思路。此外，由于空心光纖可以相互拼接，這為生產(chǎn)無移動機械部件的中紅外激光器提供了可能。
實驗數(shù)據(jù)顯示，該團隊制造的中紅外激光器比現(xiàn)有技術(shù)強約1000倍，其功率足以在遠距離內(nèi)探測到微量物質(zhì)。Chang教授進一步指出：“憑借如此高強度的激光，我們可以實現(xiàn)前所未有的靈敏度，并有望利用這些設(shè)備安全地檢測那些傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的微量物質(zhì)。”
這項研究成果不僅為開發(fā)更精確的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備提供了技術(shù)支持，還可能在健康監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，通過檢測呼吸中的甲烷含量，該技術(shù)可用于結(jié)直腸癌的早期篩查。
展望未來，研究團隊計劃進一步拓展中紅外激光器的波長范圍，以提高其探測能力。張助理教授認為，理論上該方法可產(chǎn)生波長達10微米的中紅外激光，這將進一步拓寬其在環(huán)境監(jiān)測、安全檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
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