新型自清洁光纤可用于环境监测和癌症诊断

       简介:研究人员设计研发了一种新型光纤，允许在分子指纹电磁区域产生彩虹激光。这种具有自清洁光束的新型光纤可以应用于多种领域，例如标记污染物、癌症诊断、环境监测和食品控制。相关研究发表在《Nature Communication》

       当高功率超短脉冲光与玻璃光纤等材料相互作用时，会发生一系列高度非线性的相互作用，导致注入光时的时间和光谱特性发生复杂的变化。在极端情况下，这种相互作用可以导致彩虹激光的产生，通常被称为超连续介质光源。自2000年首次在一种特殊类型的光纤中展示以来，超连续激光已经彻底改变了许多科学领域，从实现前所未有的分辨率的计量和成像，到超宽带遥感，甚至系外行星的探测等。

       然而，目前超连续介质光源的瓶颈在于，它们是基于支持单一横向模式的光纤，这限制了它们的光功率。此外，传统的光纤由硅玻璃制成，其传输仅限于可见光和近红外光谱区域。将超连续光延伸到其他波长范围，如中红外，需要由所谓的软玻璃制成的光纤，但这些光纤具有比二氧化硅更低的损伤阈值，甚至限制了超连续光的功率。

       产生自清洁光束的非石英光纤

       最近，研究人员设计了一种不同类型的光纤，其折射率在整个光纤结构中连续变化，使产生超连续谱功率显著增加，同时仍然保持平滑的光束强度分布。“这种渐变折射率光纤的折射率变化导致光纤内部的光周期性聚焦和散焦，从而实现了空间和时间非线性光物质相互作用之间的耦合。这导致了一种自清洁机制，从而产生高功率和干净的光束轮廓的超连续光。除了可以应用于许多应用领域之外，它们还提供了一种研究诸如波动等基本物理效应的方法，” Tampere 大学研究小组的负责人Goëry Genty教授说。

       虽然这些光纤最近引起了研究界的极大关注，但迄今为止，它们的用途仅限于可见光和近红外。Tampere团队首次演示了在non-silica渐变型光纤产生从可见光到中红外两个倍频程的自清洁光束。

图1：在a、b和c三种不同初始发射条件下，GRIN PBG光纤输出端记录的实验测量光谱和相应的远场空间输入强度分布

       “这个问题现在已经通过使用一种特殊的设计得到解决，这种设计利用了两种折射率不同的铅铋没食子酸盐玻璃棒，从而得到一种具有特殊纳米结构的纤芯。研究人员Zahra Eslami说:“我们得到了一种具有有效抛物线折射率剖面的梯度折射率光纤，其传输窗口可达中红外区域，而且就像蛋糕上的樱桃一样，增强了非线性光与物质的相互作用。”

       在诊断和监测等应用领域有很大的潜力

       中红外具有至关重要的意义，因为它包含许多重要分子的特征振动跃迁。

       “新的解决方案将导致更有效的中红外超连续光源，具有许多潜在的应用前景，如污染物标记、癌症诊断、机器视觉、环境监测、质量和食品控制，”Genty解释说。

       研究人员预计，这种新型光纤将很快成为产生宽带源和频率梳的重要和标准材料。

[1] Zahra Eslami, Lauri Salmela, Adam Filipkowski, Dariusz Pysz, Mariusz Klimczak, Ryszard Buczynski, John M. Dudley, Goëry Genty. Two octave supercontinuum generation in a non-silica graded-index multimode fiber. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-29776-6