Новая система использует сверхбыструю импульсную лазерную систему среднего инфракрасного диапазона для создания нитей, цвета которых могут выявить химические отпечатки различных молекул. На этой неделе об этом сообщается в журнале Optica в статье главного исследователя Кюн-Хана Хонга из Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института и семи других исследователей из Массачусетского технологического института; в Бингемтоне, Нью-Йорк; и в Гамбурге, Германия.
Хонг объясняет, что такие волокна, генерируемые лазерами в ближней инфракрасной части электромагнитного спектра, уже широко изучены из-за их перспективности для использования в таких областях, как лазерное дальномерное зондирование и дистанционное зондирование.
Феномен накала, создаваемый мощными лазерами, служит для противодействия дифракционным эффектам, которые обычно возникают при прохождении лазерного луча через воздух. Когда уровень мощности достигает определенной точки и образуются нити, они образуют своего рода самонаводящийся канал, который удерживает лазерный луч в жесткой фокусировке.
Но наибольшие перспективы для обнаружения широкого спектра биохимических соединений и загрязнителей воздуха представляют собой длины волн среднего инфракрасного (среднего ИК) диапазона, а не ближнего ИК-диапазона. Однако исследователи, которые пытались создать волокна среднего ИК диапазона на открытом воздухе, до сих пор не добились больших успехов.
Только одной предыдущей исследовательской группе удалось создать лазерные нити среднего ИК-диапазона в воздухе, но это было сделано гораздо медленнее — около 20 импульсов в секунду. По словам Хонга, новая работа, которая использует 1000 импульсов в секунду, является первой, которая будет выполняться с высокой скоростью, необходимой для практических инструментов обнаружения.
«Люди хотят использовать такую технологию для обнаружения химикатов на большом расстоянии, в нескольких километрах», — говорит Хонг, но им было нелегко заставить такие системы работать. Одним из ключей к успеху этой команды является использование мощного фемтосекундного лазера с длительностью импульса всего 30 фемтосекунд, или миллионных долей миллиардной секунды.
По его словам, чем длиннее длина волны, тем больше пиковая мощность лазера необходима для создания желаемых волокон из-за более сильной дифракции. Но фемтосекундный лазер команды в сочетании с так называемым параметрическим усилителем обеспечивал необходимую мощность для этой задачи.
Эта новая лазерная система была разработана совместно с Franz X. Kaertner в Гамбурге и другие члены группы за последние несколько лет. По словам Хонга, на этих длинах волн среднего ИК-диапазона это устройство обеспечивает «один из самых высоких уровней пиковой мощности в мире», производя пиковую мощность в 100 гигаватт (ГВт, или миллиардов ватт).
По его словам, для генерации волокон в этих средних инфракрасных длинах волн требуется не менее 45 ГВт мощности, поэтому это устройство легко удовлетворяет этому требованию, и команда доказала, что оно действительно работает, как ожидалось. Теперь это открывает возможность обнаруживать очень широкий спектр соединений в воздухе на расстоянии.
Используя спектрально расширенные лазерные нити в среднем ИК-диапазоне, «мы можем обнаружить практически любой тип молекулы, который вы хотите обнаружить», — говорит Хонг, включая различные биологические опасности и загрязняющие вещества, путем определения точного цвета нити. В среднем ИК-диапазоне можно легко проанализировать спектр поглощения определенных химических веществ.
До сих пор эксперименты ограничивались более короткими расстояниями внутри лаборатории, но команда ожидает, что нет причин, по которым та же система не будет работать при дальнейшем развитии в гораздо более крупных масштабах. "Это просто демонстрация принципа", — говорит Хонг.