科學(xué)家制造出沿中空光纖飛行的微型激光器
2018-5-30 8:50:34??????點(diǎn)擊：
2018年3月20日，據美國光學(xué)學(xué)會(huì )報道，研究人員首次在光纖內部，以光學(xué)方式捕獲并激發(fā)的一個(gè)基于粒子的厘米級激光器。新的高速傳播微型激光器可以沿著(zhù)光纖長(cháng)度方向進(jìn)行高靈敏度的溫度測量，并且可以提供一種新穎的方式來(lái)將光線(xiàn)精確地傳輸到遠處且難以達到的位置。
“這種高速微型激光器在體內傳輸光的方面極具潛力?！钡聡R克思普朗克光學(xué)科學(xué)研究所Richard Zeltner說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)把光纖插入皮膚，微型激光器可以提供波長(cháng)合適、定位準確的光作用于光敏藥物。這個(gè)概念也可以應用于光流控芯片實(shí)驗室器件，為各種生物分析技術(shù)或芯片上溫度測量提供具有高空間分辨率的光源?！痹凇禩he Optical Society》(OSA)光學(xué)期刊上，由Philip St.J. Russell帶領(lǐng)的研究人員報道稱(chēng)，高速微激光器可以以毫米級的空間分辨率進(jìn)行位置敏感的溫度傳感測量。這個(gè)示例展示了高速微型激光器在分布式傳感方面的實(shí)用性，以及沿著(zhù)光纖方向實(shí)現實(shí)時(shí)、連續測量的方法。
高速傳輸微型激光器是基于一個(gè)回音壁模式的諧振器，這是一種限制并增強某些波長(cháng)光的小顆粒。這個(gè)名字來(lái)源于這樣一個(gè)現象，即光波沿著(zhù)這些粒子彎曲的內表面傳播，就像聲波在保羅大教堂的回音壁中傳播一樣，讓畫(huà)廊的另一側清晰地聽(tīng)到耳語(yǔ)聲。
“這是首次使用回音壁模式諧振器的分布式感測演示，”Zeltner說(shuō)，“這種獨特的傳感方法為分布式測量和高空間分辨率遠程物理性能評估開(kāi)辟了許多新的可能性。例如，它對惡劣環(huán)境下的溫度傳感很有用?！?/span>
制作高速傳輸的激光器
實(shí)現高速傳輸微型激光器的一個(gè)關(guān)鍵部分是一種特殊類(lèi)型的光纖，稱(chēng)為空芯光子晶體光纖。顧名思義，不同于傳統光纖的實(shí)心玻璃，這種光纖的芯區部分是空的?？招静糠直徊Ａ⒔Y構包覆，該玻璃微結構可將光限制在光纖內部。
“在相當長(cháng)的一段時(shí)間里，我們的研究小組一直在開(kāi)發(fā)空心光子晶體光纖中光阱粒子的必要技術(shù)，” 研發(fā)小組成員Shangran Xie說(shuō)?！霸谶@項新工作中，我們能夠應用這項技術(shù)不僅僅是為了捕獲一個(gè)粒子，而且還要使它成為一個(gè)能夠實(shí)現光纖中遠距離探測的激光?！?/span>
一個(gè)回音壁模式微粒沿著(zhù)空芯光纖傳輸，光纖嵌入的金屬V型槽實(shí)現加熱功能。最初，只有一束受限的激光束從光纖左端導入光纖。大約37秒后，第二束受限激光束從光纖右端導入，使得粒子停止傳輸并捕獲在V形槽的中心。
為了實(shí)現高速傳輸的微型激光器，研究人員將激光射入充滿(mǎn)水的中空纖芯中，以光學(xué)方式捕獲微粒。與用于制造傳統激光器的材料一樣，微粒也包含增益介質(zhì)。研究人員使用第二束激光激發(fā)這種增益介質(zhì)，引起微粒發(fā)光或激射。粒子在光纖中的位置是通過(guò)捕獲激光產(chǎn)生的光學(xué)力或通過(guò)芯區內部水流來(lái)控制。
精確的溫度傳感
為了測試新系統感知溫度變化的能力，研究人員將激光微粒沿著(zhù)加熱到室溫以上22攝氏度光纖的兩個(gè)區域推進(jìn)。通過(guò)測量當微激光穿過(guò)光纖時(shí)從微粒發(fā)出的激光波長(cháng)的偏移，可以精確地檢測溫度的變化。傳感器檢測到的溫度變化小于3攝氏度，并且提供了幾毫米的空間分辨率。
“這種分布式傳感器的空間分辨率最終受到粒子大小的限制?！盳eltner說(shuō)?！斑@意味著(zhù)，我們可以在很長(cháng)的測量范圍內實(shí)現小至幾微米的空間分辨率，與其他類(lèi)型的分布式溫度傳感器相比，這是我們系統的一個(gè)巨大優(yōu)勢?！?/span>
研究人員利用激光多普勒測速技術(shù)，確定在實(shí)驗過(guò)程中，粒子以每秒250微米的速度移動(dòng)。他們說(shuō)使用充滿(mǎn)空氣而不是水的光纖可以提高推進(jìn)速度到每秒厘米甚至米量級。
雖然實(shí)驗中使用的微粒由于光漂白作用，導致在約一分鐘后失去激發(fā)能力，但研究人員表示，具有不同增益材料的微?？梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題。他們還在探索是否可以在光纖內部同時(shí)操縱多個(gè)微型激光器，并正在對粒子位置檢測方案進(jìn)行改進(jìn)。
“隨著(zhù)空心光子晶體光纖的商業(yè)化進(jìn)程加快，這個(gè)系統成為實(shí)用型傳感器所需的所有技術(shù)已經(jīng)具備，” Zeltner說(shuō)。
“這種高速微型激光器在體內傳輸光的方面極具潛力?！钡聡R克思普朗克光學(xué)科學(xué)研究所Richard Zeltner說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)把光纖插入皮膚，微型激光器可以提供波長(cháng)合適、定位準確的光作用于光敏藥物。這個(gè)概念也可以應用于光流控芯片實(shí)驗室器件，為各種生物分析技術(shù)或芯片上溫度測量提供具有高空間分辨率的光源?！痹凇禩he Optical Society》(OSA)光學(xué)期刊上，由Philip St.J. Russell帶領(lǐng)的研究人員報道稱(chēng)，高速微激光器可以以毫米級的空間分辨率進(jìn)行位置敏感的溫度傳感測量。這個(gè)示例展示了高速微型激光器在分布式傳感方面的實(shí)用性，以及沿著(zhù)光纖方向實(shí)現實(shí)時(shí)、連續測量的方法。
高速傳輸微型激光器是基于一個(gè)回音壁模式的諧振器，這是一種限制并增強某些波長(cháng)光的小顆粒。這個(gè)名字來(lái)源于這樣一個(gè)現象，即光波沿著(zhù)這些粒子彎曲的內表面傳播，就像聲波在保羅大教堂的回音壁中傳播一樣，讓畫(huà)廊的另一側清晰地聽(tīng)到耳語(yǔ)聲。
“這是首次使用回音壁模式諧振器的分布式感測演示，”Zeltner說(shuō)，“這種獨特的傳感方法為分布式測量和高空間分辨率遠程物理性能評估開(kāi)辟了許多新的可能性。例如，它對惡劣環(huán)境下的溫度傳感很有用?！?/span>
制作高速傳輸的激光器
實(shí)現高速傳輸微型激光器的一個(gè)關(guān)鍵部分是一種特殊類(lèi)型的光纖，稱(chēng)為空芯光子晶體光纖。顧名思義，不同于傳統光纖的實(shí)心玻璃，這種光纖的芯區部分是空的?？招静糠直徊Ａ⒔Y構包覆，該玻璃微結構可將光限制在光纖內部。
“在相當長(cháng)的一段時(shí)間里，我們的研究小組一直在開(kāi)發(fā)空心光子晶體光纖中光阱粒子的必要技術(shù)，” 研發(fā)小組成員Shangran Xie說(shuō)?！霸谶@項新工作中，我們能夠應用這項技術(shù)不僅僅是為了捕獲一個(gè)粒子，而且還要使它成為一個(gè)能夠實(shí)現光纖中遠距離探測的激光?！?/span>
一個(gè)回音壁模式微粒沿著(zhù)空芯光纖傳輸，光纖嵌入的金屬V型槽實(shí)現加熱功能。最初，只有一束受限的激光束從光纖左端導入光纖。大約37秒后，第二束受限激光束從光纖右端導入，使得粒子停止傳輸并捕獲在V形槽的中心。
為了實(shí)現高速傳輸的微型激光器，研究人員將激光射入充滿(mǎn)水的中空纖芯中，以光學(xué)方式捕獲微粒。與用于制造傳統激光器的材料一樣，微粒也包含增益介質(zhì)。研究人員使用第二束激光激發(fā)這種增益介質(zhì)，引起微粒發(fā)光或激射。粒子在光纖中的位置是通過(guò)捕獲激光產(chǎn)生的光學(xué)力或通過(guò)芯區內部水流來(lái)控制。
精確的溫度傳感
為了測試新系統感知溫度變化的能力，研究人員將激光微粒沿著(zhù)加熱到室溫以上22攝氏度光纖的兩個(gè)區域推進(jìn)。通過(guò)測量當微激光穿過(guò)光纖時(shí)從微粒發(fā)出的激光波長(cháng)的偏移，可以精確地檢測溫度的變化。傳感器檢測到的溫度變化小于3攝氏度，并且提供了幾毫米的空間分辨率。
“這種分布式傳感器的空間分辨率最終受到粒子大小的限制?！盳eltner說(shuō)?！斑@意味著(zhù)，我們可以在很長(cháng)的測量范圍內實(shí)現小至幾微米的空間分辨率，與其他類(lèi)型的分布式溫度傳感器相比，這是我們系統的一個(gè)巨大優(yōu)勢?！?/span>
研究人員利用激光多普勒測速技術(shù)，確定在實(shí)驗過(guò)程中，粒子以每秒250微米的速度移動(dòng)。他們說(shuō)使用充滿(mǎn)空氣而不是水的光纖可以提高推進(jìn)速度到每秒厘米甚至米量級。
雖然實(shí)驗中使用的微粒由于光漂白作用，導致在約一分鐘后失去激發(fā)能力，但研究人員表示，具有不同增益材料的微?？梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題。他們還在探索是否可以在光纖內部同時(shí)操縱多個(gè)微型激光器，并正在對粒子位置檢測方案進(jìn)行改進(jìn)。
“隨著(zhù)空心光子晶體光纖的商業(yè)化進(jìn)程加快，這個(gè)系統成為實(shí)用型傳感器所需的所有技術(shù)已經(jīng)具備，” Zeltner說(shuō)。
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