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深度解讀

激光脈沖產(chǎn)生發(fā)光的等離子燈絲 或使遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能

星之球科技 來(lái)源:安防展覽網(wǎng)2016-07-07 我要評(píng)論(0 )   

麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法,利用中紅外激光將開(kāi)發(fā)的空氣環(huán)境中的分子區(qū)域轉(zhuǎn)變成帶電氣體或等離子體組成的發(fā)光的燈絲。這種新的方法可以使以...

        麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法,利用中紅外激光將開(kāi)發(fā)的空氣環(huán)境中的分子區(qū)域轉(zhuǎn)變成帶電氣體或等離子體組成的發(fā)光的燈絲。這種新的方法可以使以很高的靈敏度來(lái)檢測(cè)范圍廣泛的化學(xué)品的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)成為可能。
    這個(gè)新的系統(tǒng)利用中紅外超快脈沖激光系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生的發(fā)光燈絲,燈絲的顏色可以揭示不同分子的化學(xué)指紋。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在本周的《Optica》雜志上進(jìn)行了報(bào)道,該文章的作者是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的主任研究員Kyung-HanHong,以及其他七位來(lái)自麻省理工學(xué)院,紐約賓厄姆頓和德國(guó)漢堡的研究人員。
 
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    此圖描繪了紅外激光(左側(cè)紅色圓柱體)發(fā)射一束光束穿過(guò)大氣,產(chǎn)生電離化空氣分子燈絲(圖片中間部位的放大視圖所示的多色光束)的方法。這些長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)公里的燈絲有助于保持光束的集中度以在空氣中產(chǎn)生中紅外光(圖片右側(cè)的藍(lán)色云所示),通過(guò)用中紅外探測(cè)器(圖片底部所示)拾取這些中紅外光并進(jìn)行光譜分析可以揭示詳細(xì)的化學(xué)成分。
    Hong解釋說(shuō),這種由波長(zhǎng)位于電磁波譜近紅外部分的激光器產(chǎn)生的燈絲,由于其在激光測(cè)距和遙感等方面的良好應(yīng)用,已經(jīng)被廣泛研究。這種由高功率激光器產(chǎn)生的燈絲現(xiàn)象,可用來(lái)對(duì)抗激光束穿過(guò)空氣時(shí)通常發(fā)生的衍射效應(yīng)。當(dāng)功率水平達(dá)到特定點(diǎn)的時(shí)候,燈絲效應(yīng)就產(chǎn)生了,它們提供了一種保持激光束緊密聚焦的自引導(dǎo)通道。
    但對(duì)于檢測(cè)各種各樣的生化化合物和空氣污染物來(lái)說(shuō),中紅外(mid-IR)波長(zhǎng)比近紅外能夠提供更好的效果。然而,直到現(xiàn)在,研究人員在開(kāi)放的空氣中產(chǎn)生中紅外燈絲的嘗試幾乎都沒(méi)有取得成功。
    只有一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)以前曾經(jīng)成功地在空氣中產(chǎn)生了中紅外激光燈絲,但其是在每秒約20個(gè)脈沖這樣慢得多的速率下完成的。而在這項(xiàng)新的工作中,其使用的速率為每秒鐘1000個(gè)脈沖,這是第一次達(dá)到了實(shí)際檢測(cè)工具所需的高速率,Hong說(shuō)。
    “人們想使用這種技術(shù)來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)距離例如幾公里遠(yuǎn)的化學(xué)物質(zhì),”Hong說(shuō),但他們?cè)趯?shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)時(shí)遇到了很大的困難。這個(gè)團(tuán)隊(duì)成功的關(guān)鍵之一是使用了一個(gè)只有脈沖長(zhǎng)度只有30飛秒(一飛秒=千萬(wàn)億分之一秒)的高功率飛秒激光。他說(shuō),波長(zhǎng)越長(zhǎng),其衍射效應(yīng)也越強(qiáng),因此產(chǎn)生想要的燈絲效應(yīng)所需的激光峰值功率就越高。但是該團(tuán)隊(duì)所用的飛秒激光,加上所謂的參數(shù)放大器,為該任務(wù)提供了所需的功率。這種新的激光系統(tǒng)在過(guò)去的幾年里已經(jīng)被他們和漢堡的FranzX.Kaertner以及其他小組成員一起開(kāi)發(fā)。Hong說(shuō),該裝置在中紅外波長(zhǎng)產(chǎn)生了“世界最高的峰值功率水平之一”,其峰值功率達(dá)到了1000億瓦(GW)。
    他說(shuō),要在這個(gè)中紅外波長(zhǎng)處產(chǎn)生燈絲效應(yīng)至少需要45GW的功率,所以這個(gè)裝置很容易滿足要求,而該團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)證明,它確實(shí)像預(yù)期的那樣產(chǎn)生了作用。這打開(kāi)了一個(gè)從遠(yuǎn)處對(duì)空氣中各種化合物進(jìn)行檢測(cè)的潛在應(yīng)用。
    使用光譜展寬的中紅外激光產(chǎn)生的燈絲效應(yīng),通過(guò)檢測(cè)燈絲的確切顏色,“我們可以檢測(cè)出幾乎任何你想要的分子,”Hong說(shuō),包括各種生物有害物和污染物。在中紅外范圍內(nèi),特定化學(xué)物質(zhì)的吸收光譜可以很容易被分析出來(lái)。
    到目前為止,實(shí)驗(yàn)還限制在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的短距離上,但該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,隨著進(jìn)一步的開(kāi)發(fā),沒(méi)有理由相同的系統(tǒng)在更大的尺度上會(huì)不工作。“這只是一個(gè)原理證明的演示,”Hong說(shuō)。
    本研究“是在空氣中自我引導(dǎo)的超強(qiáng)中紅外激光脈沖最早的研究之一”亞利桑那大學(xué)光學(xué)副研究教授PavelPolynkin說(shuō),他并沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。“至于是否會(huì)有新的令人興奮的應(yīng)用,時(shí)間將會(huì)給出答案。”
    “我認(rèn)為在超快激光界有一個(gè)共識(shí),那就是在中紅外光譜范圍的探索將會(huì)成為超快激光科學(xué)的前沿領(lǐng)域,”Polynkin補(bǔ)充道。“強(qiáng)光大氣傳播領(lǐng)域向中紅外光譜范圍的擴(kuò)展肯定很有可能可以克服已經(jīng)研究得很多的與近紅外光譜范圍相關(guān)的局限,即在近紅外光譜上非常不穩(wěn)定的傳播動(dòng)力學(xué)。作者開(kāi)辟了一個(gè)新的強(qiáng)非線性光學(xué)領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn),將會(huì)有很多跟進(jìn)的研究。”

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