Gli scienziati sviluppano un nuovo metodo per produrre laser ad alta potenza nel medio infrarosso

Di recente, un gruppo di scienziati guidato dalla Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un nuovo metodo in grado di generare un'intensa luce laser ultraveloce e si prevede che creerà un'attrezzatura precisa in grado di accelerare il "rilevamento" di tracce di inquinanti e gas nocivi.
Attualmente, i laser nella gamma degli infrarossi sono in grado di analizzare un'ampia gamma di sostanze presenti nell'aria in pochi minuti, siano esse gas serra, tossine, esplosivi o gas rilevanti per la salute umana.
Tra questi, i laser a infrarossi medi ad alta potenza sono particolarmente importanti, in quanto supportano apparecchiature di rilevamento remoto altamente sensibili, in grado di rilevare in modo sicuro anche tracce di sostanze che potrebbero essere difficili da rilevare in condizioni normali.
Tuttavia, le attuali tecnologie per la produzione di tali laser devono affrontare delle sfide. Da un lato, alcuni metodi richiedono ambienti di laboratorio rigorosi che non tollerano alcuna forma di interferenza, come vibrazioni, variazioni di temperatura o umidità, il che limita la loro applicazione in ambienti reali. D'altro canto, mentre alcuni metodi sono in grado di generare luce laser in ambienti instabili, l'intensità non è abbastanza forte da rilevare con precisione tracce di sostanze.
Un team di ricerca della Nanyang Technological University di Singapore, guidato dal professore associato Chang Wonkeun, ha risolto con successo le sfide di cui sopra utilizzando una speciale fibra cava e regolando lo spessore della sua struttura interna. Il nuovo metodo può generare luce laser ad alta luminosità nella gamma del medio infrarosso senza dover fare affidamento su un ambiente di laboratorio stabile.
La nostra tecnica fornisce un nuovo modo per sviluppare laser a infrarossi medi portatili, efficienti e veloci", ha affermato il Prof. Chang. Questi laser non devono essere utilizzati in un ambiente strettamente controllato e possono quindi essere combinati con rilevatori e utilizzati direttamente sul campo per testare e identificare un'ampia gamma di sostanze sconosciute. Ciò significa che non abbiamo più bisogno di inviare campioni ai laboratori per i test, anche per tracce di sostanze, risparmiando tempo e risorse significativi".
Tecnologia a fibra cava, che consente ai laser a medio infrarosso (lunghezze d'onda di 2-20 micron) di dimostrare vantaggi significativi nel rilevamento di sostanze. Molte molecole hanno proprietà di assorbimento uniche per i laser nella gamma del medio infrarosso, rendendo questi laser particolarmente efficaci nell'identificazione di sostanze sconosciute. Inoltre, il laser a medio infrarosso può riconoscere accuratamente le sostanze anche in presenza di acqua, senza interferenze da parte delle molecole d'acqua.
Il professore associato Chang Wonkeun ha scoperto tramite simulazioni al computer che variando lo spessore della parete dei microtubi in fibra cava, è possibile convertire i laser nel vicino infrarosso in laser nel medio infrarosso ad alta potenza. I risultati sperimentali hanno mostrato che sono riusciti a creare laser nel medio infrarosso con una lunghezza d'onda di 3-4 micrometri e una potenza di picco fino a megawatt, di gran lunga superiore a quella di una lampadina standard.
Il Prof. ssambastien fsamvrier dell'Università di Limoges ha commentato che l'approccio del team della Nanyang Technological University è molto diverso dalla tradizionale disposizione complessa non lineare e fornisce un nuovo modo di pensare per la fabbricazione di laser a medio infrarosso stabili. Inoltre, poiché le fibre cave possono essere unite tra loro, ciò apre la possibilità di produrre laser a medio infrarosso senza parti meccaniche in movimento.
I dati sperimentali mostrano che i laser a infrarossi medi realizzati dal team sono circa 1,000 volte più potenti delle tecniche esistenti e sono abbastanza potenti da rilevare tracce di sostanze su lunghe distanze. Il Prof. Chang ha inoltre osservato: "Con laser così ad alta intensità, possiamo raggiungere una sensibilità senza precedenti e ci aspettiamo di utilizzare questi dispositivi per rilevare in modo sicuro tracce di sostanze difficili da rilevare con metodi convenzionali. sostanze difficili da rilevare con metodi convenzionali."
I risultati di questa ricerca non solo forniscono supporto tecnico per lo sviluppo di apparecchiature di monitoraggio ambientale più accurate, ma possono anche svolgere un ruolo importante nel campo del monitoraggio sanitario. Ad esempio, rilevando i livelli di metano nel respiro, la tecnica potrebbe essere utilizzata per lo screening precoce del cancro colorettale.
Guardando al futuro, il team di ricerca prevede di espandere ulteriormente la gamma di lunghezze d'onda del laser a medio infrarosso per migliorarne la capacità di rilevamento. Secondo il professore associato Zhang, il metodo può teoricamente produrre laser a medio infrarosso con lunghezze d'onda fino a 10 micrometri, il che amplierà ulteriormente la sua applicazione in aree quali il monitoraggio ambientale e il rilevamento della sicurezza.