2018年3月20日，據(jù)美國光學(xué)學(xué)會報道，研究人員首次在光纖內(nèi)部，以光學(xué)方式捕獲并激發(fā)的一個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光纖長度方向進(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將光線精確地傳輸?shù)竭h(yuǎn)處且難以達(dá)到的位置。
“這種高速微型激光器在體內(nèi)傳輸光的方面極具潛力。”德國馬克思普朗克光學(xué)科學(xué)研究所Richard Zeltner說。“通過把光纖插入皮膚，微型激光器可以提供波長合適、定位準(zhǔn)確的光作用于光敏藥物。這個概念也可以應(yīng)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。”在《The 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，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，以及沿著光纖方向?qū)崿F(xiàn)實(shí)時、連續(xù)測量的方法。
高速傳輸微型激光器是基于一個回音壁模式的諧振器，這是一種限制并增強(qiáng)某些波長光的小顆粒。這個名字來源于這樣一個現(xiàn)象，即光波沿著這些粒子彎曲的內(nèi)表面?zhèn)鞑ィ拖衤暡ㄔ诒Ａ_大教堂的回音壁中傳播一樣，讓畫廊的另一側(cè)清晰地聽到耳語聲。
“這是首次使用回音壁模式諧振器的分布式感測演示，”Zeltner說，“這種獨(dú)特的傳感方法為分布式測量和高空間分辨率遠(yuǎn)程物理性能評估開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。”
制作高速傳輸?shù)募す馄?/strong>
實(shí)現(xiàn)高速傳輸微型激光器的一個關(guān)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，不同于傳統(tǒng)光纖的實(shí)心玻璃，這種光纖的芯區(qū)部分是空的。空芯部分被玻璃微結(jié)構(gòu)包覆，該玻璃微結(jié)構(gòu)可將光限制在光纖內(nèi)部。
“在相當(dāng)長的一段時間里，我們的研究小組一直在開發(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。“在這項新工作中，我們能夠應(yīng)用這項技術(shù)不僅僅是為了捕獲一個粒子，而且還要使它成為一個能夠?qū)崿F(xiàn)光纖中遠(yuǎn)距離探測的激光。”
一個回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(shí)現(xiàn)加熱功能。最初，只有一束受限的激光束從光纖左端導(dǎo)入光纖。大約37秒后，第二束受限激光束從光纖右端導(dǎo)入，使得粒子停止傳輸并捕獲在V形槽的中心。
為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)奈⑿图す馄鳎芯咳藛T將激光射入充滿水的中空纖芯中，以光學(xué)方式捕獲微粒。與用于制造傳統(tǒng)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捕獲激光產(chǎn)生的光學(xué)力或通過芯區(qū)內(nèi)部水流來控制。
精確的溫度傳感
為了測試新系統(tǒng)感知溫度變化的能力，研究人員將激光微粒沿著加熱到室溫以上22攝氏度光纖的兩個區(qū)域推進(jìn)。通過測量當(dāng)微激光穿過光纖時從微粒發(fā)出的激光波長的偏移，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。”Zeltner說。“這意味著，我們可以在很長的測量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小至幾微米的空間分辨率，與其他類型的分布式
溫度傳感器相比，這是我們系統(tǒng)的一個巨大優(yōu)勢。”
研究人員利用激光多普勒測速技術(shù)，確定在實(shí)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(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(dǎo)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粒可以解決這個問題。他們還在探索是否可以在光纖內(nèi)部同時操縱多個微型激光器，并正在對粒子位置檢測方案進(jìn)行改進(jìn)。
“隨著空心光子晶體光纖的商業(yè)化進(jìn)程加快，這個系統(tǒng)成為實(shí)用型傳感器所需的所有技術(shù)已經(jīng)具備，” Zeltner說。
(原文標(biāo)題：研究人員研制出在空芯光纖中高速傳輸?shù)奈⑿图す馄?
