強力なレーザを生成する新い方法で、有害ガスをその場で検出

November, 10, 2023, Singapore--南洋理工大学(NTU Singapore)が率いる研究グループは、微量の汚染物質や有害ガスをいかに速く嗅ぎ分けることができるかを高速化できる精密なデバイスを作るために有望な、高強度で超高速のレーザを生成する新しい方法を開発した。

現在、赤外線領域の真ん中にある不可視光を含むレーザを使用して、温室効果ガス汚染物質、有毒物質、爆発物、または人の呼気に含まれる病気に関連するガスなど、空気中に何が含まれているかを数分で把握できる。

超高速で生成される中赤外レーザの高出力バージョンは、他の方法では見過ごされたり、識別が困難であったりする微量の物質でも、遠くから安全に検出できる非常に感度の高いデバイスを支えるため、非常に重要である。

しかし、そのようなレーザを生成する方法には、今のところ欠点がある。1つの方法では、外乱のない実験室条件が必要である。振動や温度や湿度の変化などが、微妙にキャリブレートされた機器の位置をずらす可能性があるためである。これは、レーザがラボ外で使用できないことを意味する。

また、振動などの環境干渉に対処しながらレーザを作製する方法もあるが、微量の物質を正確に検出するには強度が足りない。

これらの課題は、NTUシンガポール主導の研究者による新しい研究によって解決された。

研究チームは、中空コアを備えた特別に作られた光ファイバを使用し、ファイバの下部構造の厚さを微調整して、電磁スペクトルの中間赤外領域で非常に高輝度のレーザを実現した。

「われわれの手法は、適切に制御され、振動のない環境を必要としない、ポータブルで強力かつ高速な中赤外線レーザ発生器の開発への道を開く」と、最新の研究を主導した台湾大学電気電子工学部の南洋助教授Chang Wonkeunは説明している。

「検出器と組み合わせて現場で使用することで、検査のためにサンプルをラボに送る手間をかけずに、様々な未知の物質をその場で、また同時に微量でも検査して同定することができる」

研究成果は、「Laser & Photonics Reviews」に掲載された。

中空コアファイバ
波長が2〜20µmの中赤外線(Mid-IR)レーザは、物質の検出において他のレーザーよりも優れている。

Mid-IRレーザは、他の波長のレーザよりも多くの異なる種類の分子が独自の方法で吸収されるため、この特徴を利用して未知の物質を同定することができる。また、これらの物質に水が含まれていても、他のレーザとは異なり、Mid-IRレーザを使用して物質を識別する精度は水分子の影響を受けない。

高出力Mid-IRレーザを高速生成する方法の1つに、波長の短い超高速の近赤外線(NIR)を光ファイバを通して明るく照射する方法がある。

固体ガラス中心を持つファイバは、通常強力ではないMid-IRレーザを生成するため、少量の物質を正確に検出することは難しい。

高強度Mid-IRレーザを製造するには、通常、干渉のない環境が必要であり、レーザの使用はラボに限定される。

Changは、中空コアのガラスファイバを使用してこれらの問題を解決した。同氏は、NIRが中空コアファイバを通過したときに発生する可能性のある放射線の種類を決定するためにコンピュータシミュレーションを実行し、これを発見した。

従来の光ファイバとは異なり、チューブ状の中空コアファイバ内壁には、ファイバの中空センタの周りに小さなガラス管リングがある。

ファイバのミニチューブの肉厚を変えることで、Changのシミュレーションでは、NIRレーザを強力で超高速のMid-IRレーザに変換できることが示された。

その後、チームは中空コアファイバの中心をアルゴンガスで満たす実験を行い、チームはシミュレーションの予測を確認することができた。研究チームは、標準的な電球の約100万倍の強度を持つMW級のピーク出力で、波長3〜4µmのMid-IRレーザを製造した。

このレーザ変換は、NIRレーザがファイバの形状と相互作用し、アルゴンガス分子にエネルギーを与え、レーザをMid-IRに変化させるために発生する。

ミニチューブの厚さは、生成されるMid-IRレーザの波長の2倍強に相当する。したがって、肉厚が1.6µmのミニチューブは、約3.7µmのピーク波長を持つレーザになる。

University of LimogesのSébastien Février教授は、Mid-IRレーザを研究しており、Changの研究には関与していないが、NTUチームのレーザ生成法は「複雑な非線形配置を伴う通常のセットアップとは対照的である」とコメントしている。

「さらに、ファイバは互いにスプライシングできるため、これらの結果は、可動機械部品のないMid-IRレーザ生成への道を開く」とFévrierは話している。

実験データによると、チームの超短パルスMid-IRレーザは、固体コアを持つ光ファイバを使用する既存の方法で製造されたレーザよりも約1,000倍強力である。

そのレーザは、有害物質を検出するためのハンドヘルドデバイスで現在使用されているMid-IR光よりも何桁も強力(場合によっては100万倍)でなければならない。これらのポータブル機器は、Mid-IR光の出力が低いため、100m以上離れた場所にある物質を検出できない。

「高強度レーザを用いることで、高感度を実現できるだけでなく、レーザや既存方法で生成された光では問題となるごく少量の物質でも安全に検出することができる」(Chang)。

3〜4µmのMid-IRレーザを製造するチームの方法は、汚染物質の環境を監視し、おそらく健康モニタリングのために、より正確で精密なセンサ開発への道を開く。

このレーザは、この範囲のMid-IRをよく吸収するメタンなどの温室効果ガスの同定に役立つ可能性がある。また、人の呼気に含まれるメタンは大腸がんと関連しているため、レーザは呼気分析を通じて人々の健康状態を監視する方法を提供することもできる。

将来的には、チームは、より長い波長でさらに明るいMid-IRレーザを製造するためのさらなる研究を行う予定である。

Changによると、理論的には最大10µmのMid-IRレーザを生成できる。

このようなレーザは、労働災害で漏れる可能性のあるホルムアルデヒドなどの化学物質や、波長がそれぞれ約6µmと8µmのMid-IRを吸収するTNT爆薬などの有害物質など、識別できる物質の範囲を広げる。

Février教授は、生成されたレーザの波長スペクトルを最大10µmまで広げることができれば、「様々な可能性の中で、NTUチームの新しい光源を使用して、空気中の潜在的に危険な化合物を検出できることは明らかだ」と話している。