Nature子刊:使用結構緊湊的中紅外光源的雷射來探測溫室效應氣體

2021-01-16 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：據《Nature Communications》報導，來自洛桑聯邦理工學院的研究人員，開了了一個標準的雷射和光子晶片所組成，使用中紅外的光源來探測溫室效應的氣體和其他氣體。這一團隊使用一個商業的光纖雷射器並將其整合進一個波導的晶片中來可靠的產生波長在中紅外波段的光波。可以方便的攜帶至野外進行作業。

一個來自洛桑聯邦理工學院所研發的系統，由一個標準的雷射和光子晶片所組成，使用中紅外的光源來探測溫室效應的氣體和其他氣體。這一團隊使用一個商業的光纖雷射器並將其整合進一個波導的晶片中來可靠的產生波長在中紅外波段的光波。

圖解:來自洛桑聯邦理工學院的研究人員提出一個新的中紅外光源，該光源可以探測溫室效應的氣體和其他氣體以及人們呼吸的分子等

光纖雷射會發射出一定波長範圍內的雷射。雷射束直接通過一個直徑大約為1 μm (0.001 mm)和在長度上只有二分之一毫米的光波導來穿過。光波導管可以在光通過的時候改變光的頻率。研究人員對系統的關鍵部位的設計進行了優化，包括光波導管的形狀和材質以及原始雷射源的波長等，來發展一個系統以實現簡單且有效和結構堅固結實。研究團隊可以通過調節光波導管的形狀來調節光的波長。

這一交鑰匙的，高效的且結構緊湊的中紅外光源提供了足夠有效的功率水平來用於光譜學的應用場合。作為對概念的驗證，研究團隊使用研發的系統進行了探測乙炔，這是一個無色和高度易燃的的且可以被光譜吸收的一類氣體。

採用結構緊湊的雷射源來探測汙染物

圖解：圖中的人物分別為： 從左到右排列： Eirini Tagkoudi, Camille Brès和 Davide Grassani。

這一系統產生的雷射位於中紅外光譜的範圍內，可以保留原始信號強度的30%。在實驗中，團隊展示了光波導管泵浦在一個2-μm fs光纖雷射中可以達到的光譜範圍區域在3-到 4-μm的範圍，高達35%的功率轉換效率和mW水平的輸出功率。

這一裝置在效率上為我們設置了一個新的基準，Davide Grassani說到，這是第一次任何人可以創造出一個完全集成的光譜學雷射光源。這一設備的問世使得我們不再需要費心的來排列傳統雷射系統中的所有的部件

實驗裝備的設置和色散波的產生

圖解： a實驗方案的設置 . HWP： 半波片， QWP： 四分之一波片， M ：鏡片， MMF：多模光纖.左邊插入的圖片是晶片和輸入的耦合鏡片， 而右邊的圖片則是輸出的光波導片，該光波導片取自頂部的相機 。兩個照片均取自同一泵浦的狀態 . b 輸入和輸出的光譜在功率為13.6mW平均功率且耦合在1100 nm寬度的光波導時所得到的實驗結果（陰影部分）和數值模擬（固態線和點線）的結果 . 光譜 (c) 和時域 (d) 泵浦脈衝的演化 (dB 尺度) 在輸入的脈衝為110fs，波長為 2090nm，且頻率啁啾 C=1000fs2/2π。

直到今天，IR雷射系統一直存在應用時有傳輸困難的問題，這是因為他們包括複雜的，易受損的硬體。目前這一先進的進展將使得額外的微型化的中紅外技術——波長的範圍為科學家以前很少進行工作的範圍。一旦研究人員進一步的發展這一系統，我們將會看到在晶片上集成的探測器可以讓科學家非常容易得攜帶至野外進行使用。

這一研究成果發表在頂刊《Nature Communications》上。

文章來源：Grassani, D., Tagkoudi, E., Guo, H. et al. Mid infrared gas spectroscopy using efficient fiber laser driven photonic chip-based supercontinuum. Nat Commun 10, 1553 (2019).

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