Российские ученые совместно с немецкими коллегами создали новый лазер, который регистрирует молекулы в уникальном спектре инфракрасного излучения. Для этого физики использовали кристаллы селенида цинка с примесью железа. Устройство позволит отследить загрязнение атмосферы и воздуха на производственных предприятиях, а также может дать начало новым методам диагностики заболеваний. Исследования поддержаны грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в OpticsExpress.
«Исторически так сложилось, что после изобретения лазера в 60-х годах дальнейшие разработки в основном сосредоточились на видимой и ближней инфракрасной областях, а все, что дальше — пустовало. Не было таких активных сред, которые бы оказались достаточно эффективны и не требовали каких-то особых подходов. Наш же лазер работает при комнатных условиях и демонстрирует самый широкий на сегодняшний день диапазон генерируемых длин волн — от 3,7 до 5,3 микрометров, — что позволяет вместо десяти лазеров использовать один», — говорит руководитель проекта по гранту РНФ Станислав Леонов, кандидат технических наук, высококвалифицированный научный сотрудник лаборатории инновационных лазерных систем Физического института имени П.Н. Лебедева РАН.
Ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Троицк) совместно с коллегами из МГТУ имени Н.Э. Баумана (Москва), а также Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия) решили реализовать потенциал лазеров в среднем инфракрасном диапазоне спектра и создали широкополосное устройство, основой которого служит кристалл селенида цинка с примесью железа.
«Мы обладаем уникальной технологией создания кристаллов, из которых изготавливаются лазерные элементы для средней инфракрасной области. Эти элементы, с виду похожие на стеклянные цилиндры или параллелепипеды, очень эффективны в работе лазеров», — комментирует один из авторов работы Юрий Коростелин, кандидат технических наук, высококвалифицированный ведущий научный сотрудник лаборатории инновационных лазерных систем Физического института имени П.Н. Лебедева РАН.
Изначально перед учеными стояла задача создать устройство, которое сможет работать в нужном инфракрасном диапазоне, однако им удалось превзойти полученные результаты. Физики сконструировали и построили новый лазер, а затем испытали его в измерении концентрации изотопов углекислого газа в атмосфере и после выдыхания человеком; опасного угарного газа в воздухе из легких курильщика и в дыме тлеющей бумаги; а также парникового газа N2O, который иногда называется «веселящим газом».
Чтобы сделать измерения наиболее чувствительными, физики использовали внутрирезонаторную спектроскопию.
«Данная методика основывается на том, что внутри резонатора — одной из основных частей лазера — луч многократно взаимодействует с исследуемыми веществами, например, газами, токсичными соединениями или биомаркерами заболеваний. За счет этого достигается колоссальная чувствительность к обнаружению присутствующих соединений. Эта уникальная технология, к слову, была разработана в Физическом институте имени П.Н. Лебедева еще в 1970 году», — поясняет соавтор работы Петр Федоров, кандидат физико-математических наук, сотрудник Института горения и газовой динамики Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия).
Способность нового лазера работать в диапазоне инфракрасного излучения от 3,7 до 5,3 микрометров позволяет регистрировать ранее недоступную информацию о большем количестве химических соединений, их состоянии и концентрации. При разработке ученые использовали недорогие материалы, поэтому одним из важных преимуществ нового лазера является его экономическая доступность для практического использования в перспективе.
В будущем физики надеются реализовать полученный прототип лазера в виде компактного устройства для применения вне лаборатории. Кроме того, они намерены увеличить диапазон перестройки импульсного лазера в более длинноволновую часть спектра, приблизиться к отметке шесть микрометров. Так удастся расширить возможности регистрации молекул.
В исследовании приняли участие Станислав Леонов из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Юрий Коростелин, Михаил Фролов, Владимир Козловский и Ян Скасырский из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и сотрудники Университета Дуйсбурга-Эссена Петр Федоров и Кристоф Шульц (Christof Schulz).
Фото лазерной установки. Источник: Станислав Леонов
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
