“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用性，以及沿著光纖方向?qū)崿F(xiàn)實時、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?/p>
實現(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。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行改進。
“隨著空心光子晶體光纖的商業(yè)化進程加快，這個系統(tǒng)成為實用型傳感器所需的所有技術(shù)已經(jīng)具備，” Zeltner說。
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