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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(qiáng)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(yuǎn)程探測(cè)設(shè)備，可安全地檢測(cè)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(dāng)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(yán)格的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，無法容忍任何形式的干擾，如振動(dòng)、溫度或濕度的變化，這限制了其在實(shí)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(qiáng)度卻不足以精確檢測(cè)微量物質(zhì)。
新加坡南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(yán)格的控制環(huán)境下運(yùn)行，因此可以與探測(cè)器結(jié)合，在現(xiàn)場(chǎng)直接用于測(cè)試和識(shí)別各種未知物質(zhì)。這意味著，即使對(duì)于微量的物質(zhì)，我們也不再需要將樣品送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，大大節(jié)省了時(shí)間和資源。”
空心光纖技術(shù)，使得中紅外激光器(波長(zhǎng)為2-20微米)在探測(cè)物質(zhì)時(shí)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。許多分子對(duì)中紅外范圍內(nèi)的激光具有獨(dú)特的吸收特性，使得這種激光在識(shí)別未知物質(zhì)時(shí)尤為有效。此外，即使物質(zhì)中存在水分，中紅外激光也能準(zhǔn)確識(shí)別，不受水分子干擾。
Chang Wonkeun助理教授通過計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，他們成功制造出了波長(zhǎng)為3-4微米的中紅外激光器，其峰值功率高達(dá)兆瓦級(jí)，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)燈泡的功率。
里摩日大學(xué)的ssambastien fsamvrier教授評(píng)價(jià)稱，南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(dòng)機(jī)械部件的中紅外激光器提供了可能。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該團(tuán)隊(duì)制造的中紅外激光器比現(xiàn)有技術(shù)強(qiáng)約1000倍，其功率足以在遠(yuǎn)距離內(nèi)探測(cè)到微量物質(zhì)。Chang教授進(jìn)一步指出：“憑借如此高強(qiáng)度的激光，我們可以實(shí)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(cè)那些傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的微量物質(zhì)。”
這項(xiàng)研究成果不僅為開發(fā)更精確的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了技術(shù)支持，還可能在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，通過檢測(cè)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步拓展中紅外激光器的波長(zhǎng)范圍，以提高其探測(cè)能力。張助理教授認(rèn)為，理論上該方法可產(chǎn)生波長(zhǎng)達(dá)10微米的中紅外激光，這將進(jìn)一步拓寬其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
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