L'Università tecnologica di Nanyang sviluppa un nuovo metodo per produrre laser ultra intensi e ultra veloci

Attualmente, i laser emessi nella gamma del medio infrarosso possono identificare le sostanze presenti nell'aria in pochi minuti, siano essi inquinanti gas serra, tossine, esplosivi o gas associati a malattie presenti nel respiro umano.
I laser ad alta potenza nel medio infrarosso generati con impulsi ultraveloci sono molto richiesti perché sono alla base di dispositivi altamente sensibili in grado di rilevare in modo sicuro a distanza anche tracce di sostanze che altrimenti passerebbero inosservate o sarebbero difficili da identificare.
Recentemente, gli scienziati guidati da NTU Singapore hanno sviluppato un nuovo metodo per produrre laser intensi e ultraveloci. Questo metodo, dicono, "mantiene la promessa di creare dispositivi precisi in grado di accelerare l'individuazione di tracce di contaminanti e gas nocivi".
Tuttavia, gli attuali metodi convenzionali per generare tali laser hanno i loro limiti: un metodo richiede condizioni di laboratorio prive di disturbi che possano disallineare apparecchiature calibrate con precisione (ad esempio, vibrazioni, variazioni di temperatura/umidità), il che significa che i laser non possono essere utilizzati fuori dal laboratorio.
L’altro metodo può generare laser mentre si affrontano disturbi ambientali come le vibrazioni, ma non sono abbastanza potenti da rilevare con precisione tracce di sostanze. Una nuova ricerca della Nanyang Technological University ha affrontato queste sfide.
I risultati sono pubblicati in Lasers ＆ Photonics Reviews.
I ricercatori hanno utilizzato fibre ottiche cave appositamente fabbricate per generare luce laser molto brillante nella gamma del medio infrarosso regolando lo spessore della struttura neutronica della fibra.
Chang Wonkeun, assistente professore presso la Scuola di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Università Tecnologica di Nanyang, che ha condotto questo ultimo studio, ha dichiarato: "Il nostro approccio apre la strada allo sviluppo di generatori laser nel medio infrarosso portatili, potenti e veloci che non si basano su ambienti ben controllati e privi di vibrazioni per mantenere il funzionamento. "
"Ciò significa che possiamo accoppiarli con rilevatori e usarli sul campo per testare e identificare un'ampia varietà di sostanze sconosciute. Allo stesso tempo, non è necessario dedicare ulteriore tempo all'invio di campioni al laboratorio per i test, anche in tracce."
Vantaggi del rilevamento
I laser nel medio infrarosso, con lunghezze d'onda che vanno da 2um-20um, offrono vantaggi rispetto ad altri laser nel rilevamento di sostanze. Molti tipi diversi di molecole assorbono i laser nella gamma del medio infrarosso in un modo unico, più di altre lunghezze d’onda, una caratteristica che può essere utilizzata per identificare sostanze sconosciute. Inoltre, anche se in queste sostanze è presente acqua, a differenza di altri laser, la precisione dell’identificazione delle sostanze utilizzando i laser nel medio infrarosso non è influenzata dalle molecole d’acqua.
Un modo per generare laser nel medio infrarosso ad alta potenza in raffiche rapide è emettere radiazioni luminose e ultraveloci nel vicino infrarosso attraverso una fibra ottica, che ha una lunghezza d'onda corta. I laser nel medio infrarosso prodotti da fibre ottiche con centri di vetro solidi non sono solitamente molto potenti, il che rende difficile il rilevamento accurato di piccole quantità di materia.
Per produrre laser nel medio infrarosso ad alta intensità è solitamente necessario un ambiente privo di interferenze, che limita l’uso dei laser al laboratorio e rende difficile la realizzazione di applicazioni specifiche. Il professor Zhang della Nanyang Technological University ha risolto questi problemi utilizzando fibre di vetro cave. Lo ha scoperto quando ha utilizzato simulazioni al computer per determinare il tipo di radiazione nel vicino infrarosso che potrebbe essere prodotta quando passa attraverso le fibre cave.
Conversione della lunghezza d'onda
A differenza delle fibre ottiche convenzionali, questa fibra cava tubolare ha un anello di tubi di vetro più piccoli attorno al centro cavo della fibra. Le simulazioni hanno mostrato che variando lo spessore delle pareti dei tubi miniaturizzati della fibra, sarebbe promettente convertire i laser nel vicino infrarosso in laser nel medio infrarosso potenti e ultraveloci.
Il suo team ha poi condotto esperimenti in cui i centri delle fibre a nucleo cavo sono stati riempiti con gas argon e gli scienziati sono stati in grado di confermare le previsioni delle simulazioni. Hanno creato un laser nel medio infrarosso con una potenza di picco nell'ordine dei megawatt e una lunghezza d'onda di 3 um-4um, un milione di volte più potente di una lampadina standard.
Questa conversione laser avviene perché il laser nel vicino infrarosso interagisce con la forma della fibra ottica, che trasforma il laser in luce nel medio infrarosso eccitando le molecole di gas argon. Lo spessore dei microtubi è correlato a poco più del doppio della lunghezza d'onda della luce laser nel medio infrarosso prodotta, quindi un minitubo con uno spessore della parete di 1,6 um produce luce laser con una lunghezza d'onda di picco di circa 3,7 um.
Il professor ssambastien fsamvrier (dell'Università di Limoges), ricercatore di lunga data sui laser nel medio infrarosso, ha affermato che il metodo di generazione dei laser utilizzato dal team della Nanyang Technological University "è in netto contrasto con i dispositivi che di solito coinvolgono complesse disposizioni non lineari".
Il Prof. ssambastien Fsamvrier ha affermato: "Inoltre, poiché le fibre ottiche possono essere giuntate tra loro, questi risultati aprono la strada alla generazione di laser nel medio infrarosso che non sono influenzati da alcuna parte meccanica in movimento".