מדענים מפתחים שיטה חדשה להפקת לייזרים אמצע אינפרא אדום בהספק גבוה

לאחרונה, קבוצת מדענים בראשות האוניברסיטה הטכנולוגית של סינגפור (NTU Singapore) פיתחה שיטה חדשה, שיכולה לייצר אור לייזר אינטנסיבי במיוחד מהיר, וצפויה ליצור ציוד מדויק שיכול להאיץ את "הרחה" של עקבות מזהמים וגזים מזיקים.
נכון להיום, ללייזרים בתחום האינפרא אדום יש יכולת לנתח מגוון רחב של חומרים באוויר תוך דקות, בין אם הם גזי חממה, רעלים, חומרי נפץ או גזים הרלוונטיים לבריאות האדם.
מבין אלה, לייזרים בינוני אינפרא אדום בעלי עוצמה גבוהה הם קריטיים במיוחד, ותומכים בציוד זיהוי מרחוק רגיש ביותר שיכול לזהות בבטחה אפילו כמויות עקבות של חומרים שעלולים להיות קשים לזיהוי בתנאים רגילים.
עם זאת, הטכנולוגיות הנוכחיות לייצור לייזרים כאלה עומדות בפני אתגרים. מצד אחד, חלק מהשיטות דורשות סביבות מעבדה קפדניות שאינן סובלות כל צורה של הפרעות, כגון שינויי רטט, טמפרטורה או לחות, מה שמגביל את היישום שלהן בסביבות אמיתיות. מצד שני, בעוד ששיטות מסוימות מסוגלות לייצר אור לייזר בסביבות לא יציבות, העוצמה אינה חזקה מספיק כדי לזהות במדויק כמויות עקבות של חומרים.
צוות מחקר מהאוניברסיטה הטכנולוגית Nanyang בסינגפור, בראשותו של עוזר פרופסור Chang Wonkeun, פתר בהצלחה את האתגרים הנ"ל על ידי שימוש בסיב חלול מיוחד והתאמת עובי המבנה הפנימי שלו. השיטה החדשה יכולה ליצור אור לייזר בהירות גבוהה בטווח האינפרא אדום הבינוני מבלי להסתמך על סביבת מעבדה יציבה.
הטכניקה שלנו מספקת דרך חדשה לפיתוח לייזרים אמצע אינפרא אדום ניידים, יעילים ומהירים", אמר פרופ' צ'אנג. אין צורך להפעיל לייזרים אלו בסביבה מבוקרת קפדנית ולכן ניתן לשלבם עם גלאים ולהשתמש בהם ישירות בשטח. כדי לבדוק ולזהות מגוון רחב של חומרים לא ידועים, זה אומר שאנחנו כבר לא צריכים לשלוח דגימות למעבדות לבדיקה, אפילו לא לכמות עקבית של חומרים, מה שחוסך זמן ומשאבים משמעותיים".
טכנולוגיית סיבים חלולים, המאפשרת לייזרים אינפרא אדום בינוני (אורכי גל של 2-20 מיקרון) להפגין יתרונות משמעותיים בעת זיהוי חומרים. למולקולות רבות יש תכונות ספיגה ייחודיות עבור לייזרים בטווח האינפרא אדום האמצעי, מה שהופך את הלייזרים הללו ליעילים במיוחד בזיהוי חומרים לא ידועים. בנוסף, הלייזר הבינוני אינפרא אדום יכול לזהות חומרים במדויק גם כאשר קיימים מים, ללא הפרעות ממולקולות מים.
עוזר פרופסור Chang Wonkeun גילה באמצעות הדמיות מחשב שעל ידי שינוי עובי הדופן של מיקרו-צינורות סיבים חלולים, ניתן להמיר לייזרים קרוב לאינפרא אדום ללייזרים בינוניים אינפרא אדום בעלי הספק גבוה. תוצאות הניסוי הראו שהם הצליחו ליצור לייזרים אינפרא אדום בינוני עם אורך גל של 3-4 מיקרומטר והספק שיא של עד מגה וואט, העולה בהרבה על זה של נורה רגילה.
פרופ' ssambastien fsamvrier מאוניברסיטת לימוז' ציין כי הגישה של צוות האוניברסיטה הטכנולוגית של Nanyang שונה מאוד מהסידור הלא-ליניארי המורכב המסורתי ומספקת דרך חשיבה חדשה לייצור לייזרים בינוני-אינפרא אדום יציבים. בנוסף, מכיוון שניתן לחבר סיבים חלולים זה עם זה, הדבר פותח את האפשרות לייצר לייזרים אינפרא אדום בינוני מבלי להזיז חלקים מכניים.
נתונים ניסיוניים מראים שהלייזרים האמצעיים של אינפרא אדום שיוצרו על ידי הצוות הם חזקים פי 1,000 מטכניקות קיימות, והם חזקים מספיק כדי לזהות חומרים עקבות למרחקים ארוכים. צ'אנג ציין עוד, "עם לייזרים בעוצמה כה גבוהה, אנו יכולים להשיג רגישות חסרת תקדים ולצפות להשתמש במכשירים הללו כדי לזהות בבטחה כמויות עקבות של חומרים שקשה לזהות בשיטות קונבנציונליות. חומרים שקשה לזהות בשיטות קונבנציונליות".
תוצאות המחקר הזה לא רק מספקות תמיכה טכנית לפיתוח ציוד ניטור סביבתי מדויק יותר, אלא עשויות גם למלא תפקיד חשוב בתחום ניטור הבריאות. לדוגמה, על ידי זיהוי רמות מתאן בנשימה, הטכניקה יכולה לשמש לבדיקה מוקדמת לסרטן המעי הגס.
במבט קדימה, צוות המחקר מתכנן להרחיב עוד יותר את טווח אורכי הגל של הלייזר האמצעי אינפרא אדום כדי לשפר את יכולת הזיהוי שלו. לדברי עוזר פרופסור ג'אנג, השיטה יכולה באופן תיאורטי לייצר לייזרים אינפרא אדום בינוני עם אורכי גל של עד 10 מיקרומטר, מה שירחיב עוד יותר את היישום שלה בתחומים כמו ניטור סביבתי וזיהוי בטיחות.