Selvrensende optisk fiber kan hjælpe med at overvåge miljøet og diagnosticere kræft

Forskere ved Tampere Universitet har med succes udviklet et nyt optisk fiberdesign, der tillader generering af regnbuelaserlys i det molekylære fingeraftryks elektromagnetiske område. Denne nye optiske fiber med en selvrensende stråle kan hjælpe med at udvikle applikationer til for eksempel forureningsmærkning, kræftdiagnostik, miljøovervågning og fødevarekontrol. Fundet blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Når en kraftig ultrakort lysimpuls interagerer med et materiale, såsom en optisk glasfiber, finder en række meget ikke-lineære interaktioner sted, som forårsager komplekse ændringer i både de tidsmæssige og spektrale egenskaber af det injicerede lys. Når det tages til det ekstreme, kan sådanne interaktioner føre til generering af en regnbuelaser af lys, der almindeligvis omtales som en superkontinuum lyskilde. Siden den første demonstration i en speciel type optisk fiber i 2000, har superkontinuum laserlys revolutioneret mange områder af videnskaben, lige fra metrologi og billeddannelse med hidtil uset opløsning til ultrabredbåndsfjernmåling og endda detektering af exoplaneter.

Den nuværende flaskehals med nuværende superkontinuumkilder er imidlertid, at de er baseret på optiske fibre, der understøtter en enkelt tværgående intensitetsprofil eller -tilstand, hvilket i sagens natur begrænser deres optiske effekt. Hvad mere er, er konventionelle optiske fibre lavet af silicaglas med transmission begrænset til det synlige og nær-infrarøde område af spektret. Udvidelse af superkontinuumslys til andre bølgelængderegimer såsom den mellem-infrarøde kræver optiske fibre lavet af såkaldte bløde briller, men disse har en lavere skadetærskel end silica, hvilket begrænser superkontinuumstrålens kraft endnu mere.

Ikke-silica optisk fiber med en selvrensende stråle

For nylig har en anden type optisk fiber med et brydningsindeks, der varierer kontinuerligt på tværs af fiberstrukturen, vist sig at give en dramatisk stigning i superkontinuumseffekt, mens den stadig bevarer en jævn stråleintensitetsprofil. "Brydningsindeksvariationen af ​​sådanne optiske fibre med graderet indeks fører til periodisk fokusering og defokusering af lyset inde i fiberen, hvilket muliggør kobling mellem rumlige og tidsmæssige ikke-lineære lys-stof-interaktioner. Dette fører til en selvrensende mekanisme, der giver superkontinuum lys med høj effekt og en ren stråleprofil. Ud over deres mange anvendelsesmuligheder giver de også mulighed for at studere fundamentale fysikeffekter såsom bølgeturbulens", siger professor Goëry Genty, leder af forskningsgruppen ved Tampere Universitet.

Selvom disse fibre for nylig har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed fra forskningsmiljøet, har deres anvendelse indtil nu været begrænset til det synlige og nær-infrarøde. I samarbejde med gruppen af ​​Profs. Buczynski og Klimczak ved University of Warszawa (Polen) og gruppen af ​​prof. Dudley ved University of Burgundy France-Comté (Frankrig), Tampere-holdet demonstrerede for første gang genereringen af ​​et to-oktavs superkontinuum fra det synlige til mid-infrarød i en fiber med ikke-silica gradueret indeks med en selvrensende stråle.

"Dette problem er nu blevet løst ved at bruge et særligt design, der anvender to typer bly-bismut-gallat-glasstænger med forskellige brydningsindekser trukket for at give en nanostruktureret kerne. Resultatet er en graderet indeksfiber med en effektiv parabolsk brydningsindeksprofil med transmission op til det mellem-infrarøde og, som kirsebær på kagen, forbedrede ikke-lineære lys-stof-interaktioner," siger forsker Zahra Eslami.

Stort potentiale inden for diagnostik og overvågning

Det mellem-infrarøde er af afgørende interesse, da det indeholder de karakteristiske vibrationsovergange af mange vigtige molekyler.

"Den nye løsning vil føre til mere effektive superkontinuum lyskilder i det mellem-infrarøde med mange potentielle anvendelser, f.eks. til forurenende mærkning, cancerdiagnostik, maskinsyn, miljøovervågning, kvalitet og fødevarekontrol," forklarer Genty.

Forskerne forventer, at denne nye type fiber meget snart vil blive et vigtigt og standardmateriale til generering af bredbåndskilder og frekvenskamme. + Udforsk yderligere

Udfladning af kurven:Nanofilm-forstærket supercontinuum-udgave