2018年3月20日, 據美國光學學會報道, 研究人員首次在光纖內部, 以光學方式捕獲並激發的一個基於粒子的厘米級雷射器. 新的高速傳播微型雷射器可以沿著光纖長度方向進行高靈敏度的溫度測量, 並且可以提供一種新穎的方式來將光線精確地傳輸到遠處且難以達到的位置.
'這種高速微型雷射器在體內傳輸光的方面極具潛力. ' 德國馬克思普朗克光學科學研究所Richard Zeltner說. '通過把光纖插入皮膚, 微型雷射器可以提供波長合適, 定位準確的光作用於光敏藥物. 這個概念也可以應用於光流控晶片實驗室器件, 為各種生物分析技術或晶片上溫度測量提供具有高空間解析度的光源. ' 在《The Optical Society》(OSA)光學期刊上, 由Philip St.J. Russell帶領的研究人員報道稱, 高速微雷射器可以以毫米級的空間解析度進行位置敏感的溫度感測測量. 這個示例展示了高速微型雷射器在分布式感測方面的實用性, 以及沿著光纖方向實現即時, 連續測量的方法.
高速傳輸微型雷射器是基於一個迴音壁模式的諧振器, 這是一種限制並增強某些波長光的小顆粒. 這個名字來源於這樣一個現象, 即光波沿著這些粒子彎曲的內表面傳播, 就像聲波在保羅大教堂的迴音壁中傳播一樣, 讓畫廊的另一側清晰地聽到耳語聲.
'這是首次使用迴音壁模式諧振器的分布式感測演示, ' Zeltner說, '這種獨特的感測方法為分布式測量和高空間解析度遠程物理性能評估開闢了許多新的可能性. 例如, 它對惡劣環境下的溫度感測很有用. '
製作高速傳輸的雷射器
實現高速傳輸微型雷射器的一個關鍵部分是一種特殊類型的光纖, 稱為空芯光子晶體光纖. 顧名思義, 不同於傳統光纖的實心玻璃, 這種光纖的芯區部分是空的. 空芯部分被玻璃微結構包覆, 該玻璃微結構可將光限制在光纖內部.
'在相當長的一段時間裡, 我們的研究小組一直在開發空心光子晶體光纖中光阱粒子的必要技術, ' 研發小組成員Shangran Xie說. '在這項新工作中, 我們能夠應用這項技術不僅僅是為了捕獲一個粒子, 而且還要使它成為一個能夠實現光纖中遠距離探測的雷射. '
一個迴音壁模式微粒沿著空芯光纖傳輸, 光纖嵌入的金屬V型槽實現加熱功能. 最初, 只有一束受限的雷射束從光纖左端導入光纖. 大約37秒後, 第二束受限雷射束從光纖右端導入, 使得粒子停止傳輸並捕獲在V形槽的中心.
為了實現高速傳輸的微型雷射器, 研究人員將雷射射入充滿水的中空纖芯中, 以光學方式捕獲微粒. 與用於製造傳統雷射器的材料一樣, 微粒也包含增益介質. 研究人員使用第二束雷射激發這種增益介質, 引起微粒發光或激射. 粒子在光纖中的位置是通過捕獲雷射產生的光學力或通過芯區內部水流來控制.
精確的溫度感測
為了測試新系統感知溫度變化的能力, 研究人員將雷射微粒沿著加熱到室溫以上22攝氏度光纖的兩個區域推進. 通過測量當微雷射穿過光纖時從微粒發出的雷射波長的偏移, 可以精確地檢測溫度的變化. 感測器檢測到的溫度變化小於3攝氏度, 並且提供了幾毫米的空間解析度.
'這種分布式感測器的空間解析度最終受到粒子大小的限制. ' Zeltner說. '這意味著, 我們可以在很長的測量範圍內實現小至幾微米的空間解析度, 與其他類型的分布式溫度感測器相比, 這是我們系統的一個巨大優勢. '
研究人員利用雷射多普勒測速技術, 確定在實驗過程中, 粒子以每秒250微米的速度移動. 他們說使用充滿空氣而不是水的光纖可以提高推進速度到每秒厘米甚至米量級.
雖然實驗中使用的微粒由於光漂白作用, 導致在約一分鐘後失去激發能力, 但研究人員表示, 具有不同增益材料的微粒可以解決這個問題. 他們還在探索是否可以在光纖內部同時操縱多個微型雷射器, 並正在對粒子位置檢測方案進行改進.
'隨著空心光子晶體光纖的商業化進程加快, 這個系統成為實用型感測器所需的所有技術已經具備, ' Zeltner說.
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