南洋理工大学研究团队开发出生产高强度超快激光器的新方法

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，可以制造出高强度、超快速的激光，借助这种方法有望制造出精确的检测设备，比如加快检测出微量污染物和有害气体的速度。

目前，发射中红外线范围的激光可以在几分钟内确定空气中的污染物，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与疾病相关的气体。超高速产生的高功率中红外激光器之所以受到追捧，是因为它们是高灵敏度设备的基础，可以从远处安全检测到微量物质，否则这些物质就会被忽视或难以识别。

南洋理工大学电气与电子工程学院研究员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

然而，产生这种激光的常规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都会使经过精密校准的设备发生偏差。这意味着这类激光器无法在实验室外的条件下使用。另一种方法可以在产生激光的同时应对振动等环境干扰，但强度不足以准确检测微量物质。NTUS的新研究解决了这些难题。该成果发表在《激光与光子学评论》上。

研究人员使用特制的空心光纤，调整光纤中子结构的厚度，在中红外范围内产生非常明亮的激光。领导这项研究的南洋理工大学电气与电子工程学院助理教授Chang Wonkeun谈到：“我们的方法为开发便携式、强大而快速的中红外激光器铺平了道路，这种发生器不需要良好的控制和无振动环境就能工作。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，即使是微量物质也无需花费额外时间将样本送往实验室检测。”

检测优势
波长为2微米至20微米的中红外激光在检测物质方面比其他激光更有优势。许多不同类型的分子都会以独特的方式吸收中红外波段的激光，比其他波长的激光吸收得更多，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。

研究团队：左起研究员Deng Ang博士、南洋大学助理教授Chang Wonkeun和南洋理工大学电气与电子工程学院高级研究员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

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、超快的近红外辐射。带有固体玻璃中心的光纤产生的中红外激光通常功率不大，因此很难准确检测到少量物质。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。Chang Wonkeun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心纤维时，发现了这一点。

波长转换
与传统光纤不同，管状空芯光纤的内壁在光纤空心周围有一圈较小的玻璃管。模拟结果表明，通过改变光纤微型管壁的厚度，可以将近红外激光转换成强大、超快的中红外激光。

Chang Wonkeun领导的团队随后进行了实验，在中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微米至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。

南洋理工大学中红外激光实验中使用的空芯光纤的横截面扫描电子显微镜照片。沿光纤内壁可以看到由七个较小的管子组成的环状结构

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，从而使激光转变为中红外激光。迷你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Sébastien Février没有参与这项研究，但他表示，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。此外，由于光纤可以相互拼接，研究成果为生成不含任何活动机械零件的中红外激光器铺平了道路。