Wetenschappers ontwikkelen nieuwe methode om krachtige mid-infraroodlasers te produceren

Onlangs heeft een groep wetenschappers onder leiding van de Nanyang Technological University of Singapore (NTU Singapore) een nieuwe methode ontwikkeld waarmee intens, ultrasnel laserlicht kan worden gegenereerd. Naar verwachting zal dit resulteren in nauwkeurige apparatuur waarmee het 'opsporen' van sporen van verontreinigende stoffen en schadelijke gassen kan worden versneld.
Momenteel kunnen lasers in het infraroodbereik binnen enkele minuten een breed scala aan stoffen in de lucht analyseren, of het nu gaat om broeikasgassen, gifstoffen, explosieven of gassen die relevant zijn voor de menselijke gezondheid.
Van deze lasers zijn de krachtige mid-infraroodlasers van bijzonder groot belang. Ze ondersteunen zeer gevoelige apparatuur voor detectie op afstand, waarmee zelfs sporen van stoffen die onder normale omstandigheden moeilijk te detecteren zijn, veilig kunnen worden gedetecteerd.
Huidige technologieën voor de productie van dergelijke lasers kennen echter uitdagingen. Enerzijds vereisen sommige methoden strikte laboratoriumomgevingen die geen enkele vorm van interferentie tolereren, zoals trillingen, temperatuur- of vochtigheidsvariaties, wat hun toepassing in de echte wereld beperkt. Anderzijds zijn sommige methoden weliswaar in staat laserlicht te genereren in onstabiele omgevingen, maar de intensiteit is niet sterk genoeg om sporen van stoffen nauwkeurig te detecteren.
Een onderzoeksteam van Nanyang Technological University in Singapore, onder leiding van assistent-professor Chang Wonkeun, heeft de bovenstaande uitdagingen succesvol opgelost door een speciale holle vezel te gebruiken en de dikte van de interne structuur aan te passen. De nieuwe methode kan laserlicht met hoge helderheid genereren in het midden-infraroodbereik zonder afhankelijk te zijn van een stabiele laboratoriumomgeving.
"Onze techniek biedt een nieuwe manier om draagbare, efficiënte en snelle mid-infraroodlasers te ontwikkelen," aldus Prof. Chang. Deze lasers hoeven niet in een strikt gecontroleerde omgeving te worden gebruikt en kunnen daarom worden gecombineerd met detectoren en direct in het veld worden gebruikt om een ​​breed scala aan onbekende stoffen te testen en identificeren. Dit betekent dat we geen monsters meer naar laboratoria hoeven te sturen om te testen, zelfs niet voor sporen van stoffen, wat aanzienlijk bespaart op tijd en middelen."
Holle vezeltechnologie, waarmee mid-infrarood lasers (golflengtes van 2-20 micron) significante voordelen kunnen laten zien bij het detecteren van stoffen. Veel moleculen hebben unieke absorptie-eigenschappen voor lasers in het mid-infraroodbereik, waardoor deze lasers bijzonder effectief zijn bij het identificeren van onbekende stoffen. Bovendien kan de mid-infrarood laser stoffen nauwkeurig herkennen, zelfs als er water aanwezig is, zonder interferentie van watermoleculen.
Assistent-professor Chang Wonkeun ontdekte via computersimulaties dat het mogelijk is om nabij-infraroodlasers om te zetten in krachtige mid-infraroodlasers door de wanddikte van holle vezelmicrotubes te variëren. De experimentele resultaten lieten zien dat ze erin slaagden mid-infraroodlasers te creëren met een golflengte van 3-4 micrometer en een piekvermogen tot megawatt, wat veel hoger is dan dat van een standaardgloeilamp.
Prof. ssambastien fsamvrier van de Universiteit van Limoges merkte op dat de aanpak van het team van de Nanyang Technological University heel anders is dan de traditionele complexe niet-lineaire opstelling en een nieuwe manier van denken biedt voor het fabriceren van stabiele mid-infraroodlasers. Bovendien, aangezien holle vezels met elkaar kunnen worden gesplitst, opent dit de mogelijkheid om mid-infraroodlasers te produceren zonder mechanische onderdelen te verplaatsen.
Experimentele gegevens tonen aan dat de mid-infrarood lasers die door het team zijn gefabriceerd ongeveer 1,000 keer krachtiger zijn dan bestaande technieken, en krachtig genoeg zijn om sporen van stoffen over grote afstanden te detecteren. Prof. Chang merkte verder op: "Met zulke lasers met een hoge intensiteit kunnen we een ongekende gevoeligheid bereiken en verwachten we deze apparaten te gebruiken om veilig sporen van stoffen te detecteren die moeilijk te detecteren zijn met conventionele methoden. stoffen die moeilijk te detecteren zijn met conventionele methoden."
De resultaten van dit onderzoek bieden niet alleen technische ondersteuning voor de ontwikkeling van nauwkeurigere apparatuur voor milieumonitoring, maar kunnen ook een belangrijke rol spelen op het gebied van gezondheidsmonitoring. Door bijvoorbeeld methaanniveaus in de adem te detecteren, kan de techniek worden gebruikt voor vroege screening op colorectale kanker.
Vooruitkijkend is het onderzoeksteam van plan om het golflengtebereik van de mid-infraroodlaser verder uit te breiden om het detectievermogen te verbeteren. Volgens assistent-professor Zhang kan de methode theoretisch mid-infraroodlasers produceren met golflengtes tot 10 micrometer, wat de toepassing ervan verder zal verbreden op gebieden zoals milieubewaking en veiligheidsdetectie.