Att använda två glas med ett annat brytningsindex och staplade med ett specifikt arrangemang har gjort det möjligt för forskare att för första gången utveckla en multimodal fiber med ett paraboliskt brytningsindex med transmission upp till mellaninfrarött och hög olinjäritet. Spektrum av korta ljuspulser som injiceras i fibern breddas kraftigt för att sträcka sig från det synliga till mittinfraröda. Avsevärt, till skillnad från konventionella multimodfibrer, förblir ljusstrålen jämn som ett resultat av självrengörande dynamik inducerad av det paraboliska brytningsindexet. En sådan ljuskälla med ultrabredt spektrum, slät stråle och hög effekt finner tillämpningar i t.ex. miljöavkänning eller högupplöst bildbehandling för medicinsk diagnostik. Kredit:Tammerfors universitet
Forskare vid Tammerfors universitet har framgångsrikt utvecklat en ny optisk fiberdesign som tillåter generering av regnbågslaserljus i det elektromagnetiska området med molekylära fingeravtryck. Denna nya optiska fiber med en självrensad stråle kan hjälpa till att utveckla applikationer för till exempel föroreningsmärkning, cancerdiagnostik, miljöövervakning och livsmedelskontroll. Fyndet publicerades i tidskriften Nature Communications .
När en högeffekts ultrakort ljuspuls interagerar med ett material som en optisk glasfiber sker en rad mycket olinjära interaktioner som orsakar komplexa förändringar i både de tidsmässiga och spektrala egenskaperna hos det injicerade ljuset. När de tas till det yttersta kan sådana interaktioner leda till genereringen av en regnbågslaser av ljus som vanligtvis kallas en superkontinuumljuskälla. Sedan den första demonstrationen i en speciell typ av optisk fiber år 2000 har superkontinuumlaserljus revolutionerat många vetenskapsområden, allt från metrologi och bildbehandling med oöverträffad upplösning till ultrabredbandsfjärranalys och till och med detektering av exoplaneter.
Den nuvarande flaskhalsen med nuvarande superkontinuumkällor är dock att de är baserade på optiska fibrer som stöder en enda tvärgående intensitetsprofil eller mod, vilket i sig begränsar deras optiska kraft. Dessutom är konventionella optiska fibrer gjorda av silikaglas med överföring begränsad till det synliga och nära-infraröda området av spektrumet. Förlängning av superkontinuumljus till andra våglängdsregimer som det mellaninfraröda kräver optiska fibrer gjorda av så kallade mjuka glas, men dessa har en lägre skadetröskel än kiseldioxid, vilket begränsar superkontinuumstrålens kraft ännu mer.
Optisk fiber som inte är kiseldioxid med en självrengörande stråle
Nyligen har en annan typ av optisk fiber med ett brytningsindex som varierar kontinuerligt över fiberstrukturen visat sig ge en dramatisk ökning av superkontinuumeffekt, samtidigt som en jämn strålintensitetsprofil bevaras. "Brytningsindexvariationen hos sådana optiska fibrer med graderat index leder till periodisk fokusering och defokusering av ljuset inuti fibern som möjliggör koppling mellan rumsliga och tidsmässiga olinjära ljus-materia-interaktioner. Detta leder till en självrengörande mekanism som ger superkontinuumljus med hög effekt och en ren strålprofil. Förutom deras många tillämpningar ger de också ett sätt att studera grundläggande fysikeffekter som vågturbulens", säger professor Goëry Genty, ledare för forskargruppen vid Tammerfors universitet.
Även om dessa fibrer nyligen har väckt stor uppmärksamhet från forskarvärlden, har deras användning hittills varit begränsad till det synliga och nära-infraröda. I samarbete med gruppen av Profs. Buczynski och Klimczak vid universitetet i Warszawa (Polen) och gruppen av professor Dudley vid universitetet i Burgundy France-Comté (Frankrike), Tammerfors-teamet demonstrerade för första gången genereringen av ett tvåoktavs superkontinuum från det synliga till mellan-infraröd i en fiber med graderat index som inte är kiseldioxid med en självrengörande stråle.
"Det här problemet har nu lösts genom att använda en speciell design som använder två typer av bly-vismut-gallat glasstavar med olika brytningsindex som dras för att ge en nanostrukturerad kärna. Resultatet är en fiber med graderat index med en effektiv parabolisk brytningsindexprofil med överföring upp till mellaninfrarött och, som körsbär på kakan, förbättrade olinjära ljus-materia-interaktioner", säger forskaren Zahra Eslami.
Stor potential inom diagnostik och övervakning
Det mellaninfraröda är av avgörande intresse eftersom det innehåller de karakteristiska vibrationsövergångarna för många viktiga molekyler.
"Den nya lösningen kommer att leda till effektivare superkontinuumljuskällor i mellan-infrarött med många potentiella tillämpningar, t.ex. för föroreningsmärkning, cancerdiagnostik, maskinseende, miljöövervakning, kvalitet och livsmedelskontroll", förklarar Genty.
Forskarna räknar med att denna nya typ av fiber mycket snart kommer att bli ett viktigt och standardmaterial för generering av bredbandskällor och frekvenskammar. + Utforska vidare
