科學家製造出沿中空光纖飛行的微型激光器

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】這是研究人員第一次在光纖中捕獲並推動一種基於粒子的激光。這種新型的飛行微型激光器可以在光纖長度範圍內進行高度敏感的溫度測量，並提供一種新穎的方法，精確地將光傳送到遙遠且無法到達的位置。德國馬克斯普朗克科學研究所的Richard Zeltner說：飛行的微型激光器有可能被用來在體內傳遞光。通過將一種纖維插入皮膚，一種合適波長的微激光可以精確定位光，用於輕活性藥物。這一概念也可以應用於光流實驗室的晶元設備中，為各種生物分析技術提供光源，或者提供高空間解析度的晶元上的溫度測量。

研究人員發明了一種飛行的微型激光器，將激光發射到中空的光子晶體光纖中，以光學捕捉到一個耳語式的微粒子。微粒子包含一種增益介質，當它被第二束激光激發時，它就會被激活。當微激光器被推進光纖時，激光的光譜會隨著溫度的變化而變化，使得微激光器可以作為位置敏感的溫度感測器。圖片版權：Richard Zeltner, Max Planck Institute for the Science of Light

這種飛行的微激光能夠以毫米量級的空間解析度來完成位置分辨的溫度感測。這一演示展示了飛行微激光對分散式感測的有用性，這種方法可以在光纖上實時地進行連續感測。這種飛行的微型激光器是基於一個竊竊私語的畫廊模式諧振器，一個限制和增強特定波長的光的小粒子。這個名字來源於周圍的光波旅行彎曲的內表面的這些粒子以同樣的方式聲波環遊曲面等迴音廊在聖保羅大教堂，允許低語清楚地聽到從另一邊的畫廊。這是第一次使用低語的畫廊模式來演示分散式感知。這種獨特的感測方法為分散式測量和遠距離高空間解析度的物理屬性提供了新的可能性。例如在惡劣的環境中，它可能對溫度感測很有用。

製造飛行微型激光器的關鍵部件是一種特殊類型的光纖，稱為空心型光子晶體光纖。顧名思義這種纖維的核心是中空的，而不是像傳統的光纖那樣的固體玻璃。空心的核心被玻璃微結構包圍，它限制了光纖內部的光線。研究小組成員Shangran Xie說：在相當長的一段時間裡，研究小組一直在開發必要的技術，以在中空的光子晶體光纖中捕捉粒子。在這項新工作中能夠應用這項技術，不僅是為了捕獲一個粒子，還可以誘導它作為一種激光，可以用於在光纖中長距離感測。

為了製造出飛行的微型激光器，研究人員將激光射入一個充滿水的中空纖維中，以光學捕捉微粒子。與製造傳統激光器所用的材料一樣，微粒子包含了增益介質。研究人員使用第二束激光激發了這種增益介質，使微粒子發出光或lase。沿著光纖的粒子位置是通過捕獲激光產生的光力或在核心內引入一股水來控制的。為了測試新系統對溫度變化的感知能力，研究人員將沿纖維的兩個區域的激光微粒子加熱到室溫下22攝氏度。通過測量微粒子發射的激光波長的變化，他們可以精確地檢測到微激光穿過光纖時的溫度變化。感測器檢測到溫度在3攝氏度以下的變化，並提供了幾毫米的空間解析度。

這種分散式感測器的空間解析度最終受到粒子大小的限制，這意味著有可能在非常長的測量範圍內實現小到幾微米的空間解析度，這是系統與其他類型的分散式溫度感測器相比的巨大優勢。使用一種叫做激光多普勒測速的技術，研究人員確定，在實驗過程中，粒子以每秒鐘250微米的速度運動。使用充滿空氣而不是水的纖維可以將推進速度提高到厘米，甚至是米每秒。雖然在實驗中使用的微粒子由於光漂白的原因，在大約一分鐘後就失去了lase的能力，但研究人員說，使用不同獲取材料的微粒可以解決這個問題。他們還在探索是否可以同時在光纖內部操縱多個微激光器，並正在改進粒子位置檢測方案。隨著中空的光子晶體光纖越來越商業化，需要把這個系統變成一個實用的感測器的所有技術都已經具備了。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Optics Letters

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：美國光學學會

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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