南洋理工大学：新型超快超强中红外激光器

环境监测和安全检测领域，超快超强激光器对于精确探测微量有害物质至关重要。近日，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科研团队开发出一种新方法来产生强激光和超快激光。该团队表示，这一技术极有可能催生出新型高精度设备，能够快速准确地探测痕量污染物和有害气体。

目前，在中红外光谱区发射的激光已能在数分钟之内鉴别空气中的各类成分，无论是温室气体、有毒物质、爆炸物，还是与人类呼吸疾病相关的标志物气体。高功率中红外激光器因其是构建高度敏感设备的基石而备受欢迎，采用超快超强的中红外激光器能够实现在安全的距离内探测到易被忽视或难以识别的微量物质。

然而，目前产生这种激光的常规方法存在不足。一种方法需要在无任何干扰的实验条件下进行，振动干扰、甚至是温度与湿度的微小变化都可能导致精密设备的校准发生偏移。这就意味着这些激光器无法在实验室外环境中使用。而另一种技术虽能在振动等环境干扰中产生激光，但其强度不足，不能精确检测到微量物质。南洋理工大学的最新研究攻克了这些难题，研究团队采用了精心设计的空芯光纤，并通过精确调节光纤内微结构的厚度来产生强度高、亮度足的中红外激光。相关成果以”Microjoule-Level Mid-Infrared Femtosecond Pulse Generation in Hollow-Core Fibers”为题发表在Laser & Photonics Review上。

南洋理工大学电气与电子工程学院的助理教授Chang Wonkeun领导了这项创新研究。他表示：“我们的研究方法为开发一种既便携又强大、快速响应的中红外激光发生器铺平了道路，这种激光发生器无需在精确控制且无振动的环境下运作。这使我们能够将激光发生器与探测器相结合，直接使用它们检测和鉴定各种未知物质，即便是痕量物质也能迅速识别，无需将样本送回实验室进行繁琐的测试。”

中红外激光器以其2 µm ~ 20 µm的波长，在物质检测领域突显出了独特优势。不同类型的分子会在中红外区域有特定的吸收特性，这使得中红外激光器能更有效地识别未知物质。此外，中红外激光在探测物质时不会受到水分子的干扰，这是其它波长激光器所不具备的。

传统上，生成这种激光通常依赖于发出明亮且超快的近红外辐射的光纤，但这些光纤的固体玻璃中心使得产生的中红外激光强度不足，难以对微量物质进行精确检测。要提高中红外激光的强度，一般需要在无振动、温度和湿度得到严格控制的实验室环境中操作。

南洋理工大学电气与电子工程学院的研究团队利用了空芯玻璃光纤，在克服传统技术局限的同时，提高了中红外激光的生成效率。Chang Wonkeu利用计算机模拟，确定了近红外辐射通过这些空心纤维时的最佳条件，成功产生了所需的高强度中红外激光。这一进步为中红外激光器的实际应用，特别是在现场快速识别微量物质的能力，提供了新的可能性。

与传统光纤相比，这种管状的空芯光纤在其空心中心周围内壁上有一圈细小的玻璃管。Chang Wonkeun通过改变微型管壁的厚度，在模拟中证明了将近红外激光转换成强大且超快的中红外激光是可能的。空心纤维的扫描电子显微镜（SEM）照片（图2）展示了其精确结构。研究团队随后进行了实验，将氩气注入空芯光纤，成功验证了模拟预测的准确性。他们生成的中红外激光器的峰值功率达到了兆瓦级，波长为3 µm ~ 4 µm，功率比标准灯泡高100万倍。

这种激光转换过程是通过近红外激光与光纤的结构相互作用，激发氩气分子，从而将激光波长转换到中红外范围。微管的壁厚与产生的中红外激光波长密切相关，大约是波长的2倍多。例如，壁厚为1.6 µm的微型管能够产生峰值波长约为3.7 µm的激光。

未参与项目研究的法国利摩日大学教授ssambastien fsamvrier认为：“在传统中红外激光器的生成过程中，常常需要用到一些复杂的装置和配置，这些装置依赖于非线性光学效应产生所需波长的激光，而南洋理工大学团队的激光生成方法与其形成了鲜明对比。此外，由于光纤可以被拼接在一起，这项研究成果为生产不受任何移动机械部件影响的中红外激光器铺平了道路。”