Det mellan-infraröda (MIR) spektrumet, som vanligtvis sträcker sig från 2 till 20 mikrometer, är känt som det "molekylära fingeravtrycksområdet". Detta beror på att de karakteristiska vibrationsabsorptionstopparna för de allra flesta gas- och vätskemolekyler finns här. Denna unika fysiska egenskap ger MIR-tekniken en avgörande roll i både grundläggande vetenskaplig forskning och industriella tillämpningar. Utvecklingen avmellan-infraröda optiska fibrerövergår nu denna teknik från skrymmande ledig-rymdoptik till en ny era av kompakta, flexibla och mycket robusta-fiberapplikationer.
Spektral avkänning och gasdetektion
Den mest direkta tillämpningen av MIR-fibrer är i spektral avkänning. Med hjälp av fluorid- eller kalkogenidglasfibrer har forskare konstruerat alla-fibersuperkontinuumabsorptionsspektroskopisystem. Till exempel, genom att kombinera ihåliga-fibergasceller har forskare framgångsrikt upptäckt metan (CH₄) i 7,7 μm-bandet med en känslighet så hög som 20 ppm. Mer anmärkningsvärt är att en spiralformad fibersond baserad på tellur-baserat kalkogenidglas, som använder evanescent fältförstärkning, möjliggör in-situ, icke-kontaktövervakning av flyktiga organiska föreningar (VOC) och till och med litiumbatterielektrolytkomponenter över ett ultra-brett spektrum av 25 μ5m. långsiktig-stabilitet. Denna teknik, som på ett skickligt sätt viker den optiska vägen vid fingertoppen, ger ett revolutionerande onlineanalysverktyg för miljöövervakning och energi-/kemiindustrin.
Laserbearbetning och materialbearbetning
Inom den industriella tillverkningssektorn öppnar MIR-fiberlasrar nya dimensioner i bearbetningen. Många polymerer och glas är genomskinliga för nära-infrarött ljus men uppvisar stark inre absorption i 2,8-3,0 μm MIR-intervallet (på grund av O-H och C-H sträckningsvibrationer). Genom att utnyttja denna egenskap kan fiber Bragg grating (FBG) lasrar baserade på fluoridfibrer uppnå effektiv, adhesiv -fri fusionsskarvning, som att ansluta optiska PMMA-plastfibrer, med en termisk kopplingseffektivitet som är över 20 gånger högre än nära-infraröda lasrar. Dessutom kan MIR-fibrer användas för precisionsbearbetning av soda-kalkglas, vilket ger en mindre värmepåverkad zon och bättre kantkvalitet jämfört med traditionella 10,6 μm CO₂-lasrar.
Biomedicinska tillämpningar och bildbehandling
MIR-fibrernas flexibilitet ger dem betydande potential inom biomedicin. Ett forskarteam vid Tohoku University utvecklade en fiber med flera-kärnor som består av 245 anti-ihåliga optiska fibrer med en total diameter på bara 1 mm. Denna fiber uppvisar låg-förlustöverföring i 3-4 μm-bandet och, i kombination med en halvsfärisk lins i spetsen, kan den sättas in i arbetskanalen på ett endoskop för infraröd värmeavbildning, vilket ger nya möjligheter för minimalt invasiv diagnostik. Dessutom tjänar högeffekt MIR-fibrer själva som idealiska kirurgiska laserkällor för exakt skärning och ablation.
Icke-linjär optik och nya ljuskällor
För att övervinna kraft- och stabilitetsbegränsningarna hos traditionella fluorfibrer utanför 4-5 μm-intervallet, dyker det ständigt upp nya material. Nyligen utvecklade fluorotelluritglas (som TBAY-fiber) har en olinjär koefficient som är en storleksordning högre än traditionella material, tillsammans med utmärkt kemisk och termisk stabilitet. Detta har gjort det möjligt att generera avstämbara ultrasnabba pulser centrerade på 4,6 μm i en fiber bara 13 cm lång, en bedrift som tidigare krävde flera meter fiber. Denna enhet i centimeter-skala banar väg för utvecklingen av bärbar fältutplacerbar detektionsutrustning.
Slutsats och Outlook
Från mycket känslig miljögasövervakning och avancerad materialbearbetning med hög-precision till avancerad-medicinsk bildbehandling och olinjär fotonik, MIR-fiberteknologin omformar djupt landskapet i flera fält. När tillverkningsprocesserna för fluorid, kalkogenid och nya fluorotelluritglasfibrer fortsätter att mogna, och med den fullständiga-fiberintegreringen av passiva komponenter som fiber Bragg-gitter och kopplingar, kommer vi att bevittna mer kompakta, effektiva och stabila MIR-system för alla-fiber som övergår från laboratorier till kärnanvändning inom nationell ekonomi, nationell säkerhet, nationell säkerhet, industri, sjukvård och industri.