“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(zhǎng)合適、定位準(zhǔn)確的光作用于光敏藥物。這個(gè)概念也可以應(yīng)用于光流控芯片實(shí)驗(yàn)室器件，為各種生物分析技術(shù)或芯片上溫度測(cè)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(bào)道稱，高速微激光器可以以毫米級(jí)的空間分辨率進(jìn)行位置敏感的溫度傳感測(cè)量。這個(gè)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(shí)、連續(xù)測(cè)量的方法。
高速傳輸微型激光器是基于一個(gè)回音壁模式的諧振器，這是一種限制并增強(qiáng)某些波長(zhǎng)光的小顆粒。這個(gè)名字來源于這樣一個(gè)現(xiàn)象，即光波沿著這些粒子彎曲的內(nèi)表面?zhèn)鞑?，就像聲波在保羅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(cè)演示，”Zeltner說，“這種獨(dú)特的傳感方法為分布式測(cè)量和高空間分辨率遠(yuǎn)程物理性能評(píng)估開辟了許多新的可能性。例如，它對(duì)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(shí)現(xiàn)高速傳輸微型激光器的一個(gè)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?？招静糠直徊Ａ⒔Y(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(zhǎng)的一段時(shí)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(xiàng)新工作中，我們能夠應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)不僅僅是為了捕獲一個(gè)粒子，而且還要使它成為一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)光纖中遠(yuǎn)距離探測(cè)的激光。”
一個(gè)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(cè)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(gè)區(qū)域推進(jìn)。通過測(cè)量當(dāng)微激光穿過光纖時(shí)從微粒發(fā)出的激光波長(zhǎng)的偏移，可以精確地檢測(cè)溫度的變化。傳感器檢測(cè)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(zhǎng)的測(cè)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(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。”
研究人員利用激光多普勒測(cè)速技術(shù)，確定在實(shí)驗(yàn)過程中，粒子以每秒250微米的速度移動(dòng)。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(jí)。
雖然實(shí)驗(yàn)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(gè)問題。他們還在探索是否可以在光纖內(nèi)部同時(shí)操縱多個(gè)微型激光器，并正在對(duì)粒子位置檢測(cè)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(gè)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。
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