科学者らが高出力中赤外線レーザーを出力する新しい方法を開発

最近、シンガポール南洋理工大学（NTUシンガポール）が率いる科学者グループが、強力な超高速レーザー光を生成できる新しい方法を開発し、微量汚染物質や有害ガスの「嗅ぎ分け」を加速できる正確な装置の開発が期待されている。
現在、赤外線領域のレーザーは、温室効果ガス、毒素、爆発物、人体の健康に関係するガスなど、空気中のさまざまな物質をわずか数分で分析することができます。
なかでも、高出力中赤外線レーザーは特に重要であり、通常の状況では検出が難しい微量の物質でも安全に検出できる高感度遠隔検出装置をサポートします。
しかし、このようなレーザーを製造する現在の技術には課題があります。一方では、一部の方法では、振動、温度、湿度の変化など、いかなる形の干渉も許容しない厳しい実験室環境が必要であり、実際の環境での応用が制限されます。他方では、不安定な環境でもレーザー光を生成できる方法もありますが、その強度は微量の物質を正確に検出できるほど強くありません。
シンガポールの南洋理工大学のチャン・ウォンクン助教授率いる研究チームは、特殊な中空繊維を使用し、その内部構造の厚さを調整することで、上記の課題を解決することに成功しました。この新しい方法は、安定した実験室環境に頼ることなく、中赤外線領域の高輝度レーザー光を生成することができます。
「私たちの技術は、ポータブルで効率的かつ高速な中赤外線レーザーを開発する新しい方法を提供します」とチャン教授は述べています。これらのレーザーは厳密に管理された環境で操作する必要がないため、検出器と組み合わせて現場で直接使用し、さまざまな未知の物質をテストして識別できます。つまり、微量の物質であっても、テストのためにサンプルを研究所に送る必要がなくなり、時間とリソースを大幅に節約できます。」
中空ファイバー技術により、中赤外線レーザー (波長 2-20 ミクロン) は物質の検出に大きな利点を発揮します。多くの分子は中赤外線範囲のレーザーに対して独自の吸収特性を持っているため、これらのレーザーは未知の物質の識別に特に効果的です。さらに、中赤外線レーザーは水が存在する場合でも水分子の干渉を受けずに物質を正確に認識できます。
チャン・ウォンクン助教授は、コンピューターシミュレーションを通じて、中空繊維マイクロチューブの壁厚を変えることで、近赤外線レーザーを高出力の中赤外線レーザーに変換できることを発見しました。実験結果では、標準的な電球をはるかに超える3-4マイクロメートルの波長と最大メガワットのピーク出力を持つ中赤外線レーザーの作成に成功したことが示されました。
リモージュ大学のサンバスティエン・フサムヴリエ教授は、南洋理工大学チームのアプローチは従来の複雑な非線形配置とは大きく異なり、安定した中赤外線レーザーを製造するための新しい考え方を提供しているとコメントした。さらに、中空ファイバーは互いに接合できるため、機械部品を動かさずに中赤外線レーザーを生産できる可能性が開かれる。
実験データによると、研究チームが製造した中赤外線レーザーは既存の技術より約1,000倍強力で、長距離から微量物質を検出するのに十分な威力がある。チャン教授はさらに、「このような高強度レーザーにより、前例のない感度を達成でき、これらの装置を使用して、従来の方法では検出が困難な微量物質を安全に検出できると期待しています。」と述べた。
この研究の成果は、より正確な環境モニタリング機器の開発に技術的支援を提供するだけでなく、健康モニタリングの分野でも重要な役割を果たす可能性があります。たとえば、呼気中のメタン濃度を検出することで、大腸がんの早期スクリーニングにこの技術を活用できます。
今後、研究チームは中赤外線レーザーの波長範囲をさらに拡大し、検出能力を向上させる計画だ。張助教授によると、この方法では理論的には最大10マイクロメートルの波長の中赤外線レーザーを生成でき、環境監視や安全検出などの分野での応用がさらに広がるという。