«Летающий микролазер потенциально может быть использован для доставки света внутрь тела», – сказал Ричард Зельтнер из Института науки о свете Макса Планка, Германия. "Вставив волокно в кожу, микролазер, излучающий на подходящей длине волны, может доставлять точно позиционированный свет для использования со светоактивированными лекарствами. Эта концепция также может быть применена в оптофлюидных лабораторных устройствах на кристалле, чтобы обеспечить источник света для различных методов биоанализа или для измерения температуры на кристалле с высоким пространственным разрешением."В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters исследователи во главе с Филипом Ст.J.
Рассел сообщил, что летающий микролазер может выполнять измерение температуры с позиционным разрешением и пространственным разрешением порядка миллиметров. Эта демонстрация показала полезность летающего микролазера для распределенного зондирования, подхода, который выполняет непрерывное зондирование в реальном времени вдоль оптического волокна.
Летающий микролазер основан на резонаторе режима шепчущей галереи, маленькой частице, которая ограничивает и усиливает определенные длины волн света. Название происходит от того факта, что световые волны перемещаются по изогнутой внутренней поверхности этих частиц так же, как акустические волны проходят по изогнутым поверхностям, таким как галерея шепота в St.
Павла, позволяющий отчетливо слышать шепот с другой стороны галереи.
«Это первая демонстрация распределенного зондирования с использованием резонатора в режиме шепчущей галереи», – сказал Зельтнер. «Этот уникальный подход к зондированию потенциально открывает много новых возможностей для распределенных измерений и оценки физических свойств дистанционно с высоким пространственным разрешением.
Например, это может быть полезно для измерения температуры в суровых условиях."
Делаем лазерный летательный аппарат
Критическим компонентом для создания летающего микролазера был специальный тип волокна, известный как фотонно-кристаллическое волокно с полой сердцевиной. Как следует из названия, это волокно имеет центральную полую сердцевину, а не сплошное стекло, как традиционные оптические волокна. Полая сердцевина окружена стеклянной микроструктурой, которая удерживает свет внутри волокна.
«В течение некоторого времени наша исследовательская группа разрабатывала технологию, необходимую для оптического улавливания частиц внутри полых фотонно-кристаллических волокон», – сказал Шангран Се, член исследовательской группы. «В этой новой работе мы смогли применить эту технологию не только для улавливания частицы, но и для того, чтобы заставить ее действовать как лазер, который можно использовать для зондирования на больших расстояниях в волокне."
Чтобы создать летающий микролазер, исследователи направили лазерный свет в заполненное водой волокно с полой сердцевиной, чтобы оптически захватить микрочастицу. Подобно материалам, используемым для изготовления традиционных лазеров, микрочастица включает усиливающую среду. Исследователи возбуждали эту усиливающую среду с помощью второго лазерного луча, заставляя микрочастицу испускать свет или генерировать. Положение частиц вдоль волокна контролируется с помощью оптических сил, создаваемых улавливающим лазером, или путем введения потока воды внутрь сердцевины.
Прецизионное измерение температуры
Чтобы проверить способность новой системы распознавать изменения температуры, исследователи перемещали лазерную микрочастицу вдоль двух участков волокна, нагретых до температуры на 22 градуса Цельсия выше комнатной.
Измеряя сдвиги длин волн генерации, излучаемой микрочастицей, они могли точно определять изменения температуры при движении микролазера через волокно. Датчик обнаруживал изменения температуры чуть менее 3 градусов Цельсия и обеспечивал пространственное разрешение в несколько миллиметров.
«Пространственное разрешение этого распределенного датчика в конечном итоге ограничено размером частицы», – сказал Зельтнер. «Это означает, что потенциально мы могли бы достичь пространственного разрешения всего в несколько микрометров в очень длинных диапазонах измерения, что является огромным преимуществом нашей системы по сравнению с другими типами распределенных датчиков температуры."
Используя метод, называемый лазерной доплеровской велосиметрией, исследователи определили, что во время эксперимента частица двигалась со скоростью 250 микрон в секунду.
Они говорят, что использование волокна, наполненного воздухом, а не водой, может увеличить скорость движения до сантиметров или даже метров в секунду.
Хотя микрочастицы, использованные в эксперименте, имеют тенденцию терять свою способность к лазерной генерации примерно через минуту из-за фотообесцвечивания, исследователи говорят, что микрочастицы с различными материалами усиления могут решить эту проблему. Они также изучают возможность одновременного управления несколькими микролазерами внутри волокна и работают над улучшением схемы определения положения частиц.
«С ростом коммерциализации полых фотонно-кристаллических волоконно-оптических волокон все технологии, необходимые для превращения этой системы в практичный датчик, уже доступны», – сказал Зельтнер.