Dò khí độc hại bằng cách mới

Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học ở ĐH Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) dẫn dắt đã phát triển một phương pháp mới tạo ra những tia laser siêu nhanh và cường độ cao có thể hứa hẹn tích hợp trong những thiết bị chính xác, gia tăng mức độ dò các khí ô nhiễm độc hại.

Hiện tại, các tia laser bao gồm ánh sáng mắt thường không thấy được, nằm ở giữa phạm vi hồng ngoại có thể xác định trong vòng vài phút thứ gì có trong không khí, liệu đó là khí nhà kính gây ô nhiễm, các hợp chất độc hại, hay khí liên quan đến các bệnh tật tìm thấy trong hơi thở con người.

Các phiên bản siêu hiệu nghiệm của tia laser trung hồng ngoại được tạo ra từ những thiết bị bắn siêu nhanh rất uqan trọng bởi vì chúng là nền tảng tạo ra những thiết bị có độ siêu nhạy có khả năng phát hiện một cách an toàn từ khoảng cách xa, ngay cả khi hợp chất có lượng rất nhỏ mà nhiều thiết bị khác không dò thấy.

Tuy nhiên, cho đến giờ thì các cách tạo ra các tia laser vẫn có nhiều nhược điểm. Một phương pháp đòi hỏi các điều kiện như trong phòng thí nghiệm để loại bỏ các nhiễu – như các rung và sự thay đổi về nhiệt độ, độ ẩm – có thể dẫn đến những sai lệch mà mà thiết bị đã hiệu chỉnh một cách tinh tế. Điều đó có nghĩa là các tia laser không thể sử dụng được ở ngoài phòng thí nghiệm.

Một phương pháp khác có thể tạo ra các tia laser trong khi xử lý những tác động môi trường như các rung động nhưng cường độ của chúng không đủ mạnh để dò được các hợp chất trong vài phút một cách chính xác.

Những thách thức đó đã được giải quyết bằng nghiên cứu mới do các nhà khoa học ở NTU Singapore dẫn dắt.

Các nhà nghiên cứu sử dụng các sợi quang được làm với những lõi rỗng với việc chỉnh độ dày của kiến trúc trong sợi để tạo ra những laser rất sáng trong phạm vi trung hồng ngoại của phổ điện từ. “Phương pháp của chúng tôi đang trên đường tới việc phát triển những máy phát laser trung hồng ngoại xách tay, có cường độ lớn và nhanh mà không cần việc kiểm soát và loại rung động”, trợ lý giáo sư Nanyang Chang Wonkeun của trường Kỹ thuật điện và điện tử NTU, người dẫn dắt nghiên cứu, giới thiệu.

“Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể đưa chúng vào một máy dò và dùng chúng ngoài hiện trường để kiểm tra và nhận diện các hợp chất chưa biết trên một phạm vi rộng lớn dựa trên các vết tại cùng thời điểm mà không cần đến việc gửi mẫu đến các phòng thí nghiệm để phân tích”.

Nghiên cứu này đã được xuất bản trên tạp chí Lasers & Photonics Reviews ¹.

Các sợi rỗng

Các tia laser trung hồng ngoại, với bước sóng 2 đến 20 micro mét, đã vượt qua những tia laser khác trong việc dò các hợp chất.

Rất nhiều dạng khác nhay của các tia laser hấp thụ phân tử trong phạm vi trung hồng ngoại theo những cách độc đáo, nhiều hơn so với các tia laser ở những bước sóng khác, và đặc trưng này có thể được sử dụng để nhận diện các hợp chất chưa biết. Thậm chí nếu nước có trong các hợp chất đó, độ chính xác của tia laser trung hồng ngoại trong nhận diện các hợp chất không bị ảnh hưởng bởi các phân tử nước như với các laser khác.

Một phương pháp tạo ra các tia laser trung hồng ngoại siêu mạnh theo cách chiếu các bức xạ cận hồng ngoại siêu nhanh và sáng với bước sóng ngắn thông qua các sợi quang.

Các sợi với các tâm thủy tinh rắn tạo ra tia laser trung hồng ngoại thường không có cường độ cao, khiến nó khó dò được chính xác những lượng hợp chất nhỏ. Để tạo ra các tia laser trung hồng ngoại có cường độ cao, cần có một môi trường không nhiễu để tinh chỉnh quá trình sử dụng laser. Trợ lý giáo sư Chang đã giải quyết những vấn đề này bằng sử dụng sợi thủy tinh với các lỗ rỗng. Ông khám phá điều này khi đang chạy các mô phỏng máy tính để xác định các loại bức xạ có thể được tạo ra khi bức xạ cận hồng ngoại đi qua các sợi có lỗ rỗng.

Không giống như sợi quang truyền thống, sợi có lỗ rỗng dạng ông có vách bên trong như một vòng tròn với các ống thủy tinh nhỏ xếp xung quanh trung tâm rỗng của sợi. Bằng việc thay đổi độ dày của thành ống mini của sợi quang, các mô phỏng của trợ lý giáo sư Chang cho thấy có thể chuyển đổi được tia laser cận hồng ngoại thành tia laser trung hồng ngoại cường độ cao và siêu nhanh.

Nhóm nghiên cứu của ông sau đó đã thực hiện các thí nghiệm với những tâm của các sợi có lỗ rỗng nhồi đầy khí argon, và các nhà khoa học lúc đó có thể xác nhận các dự đoán của mô hình. Họ tạo ra các tia laser trung hồng ngoại với các bước sóng từ 3 đến 4 micro mét tại mức cao nhất của phạm vi megawatt range, gấp một triệu lần so với bóng đèn tiêu chuẩn.

Việc chuyển đổi laser này xảy ra nhờ tia laser cận hồng ngoại tương tác với các hình dạng của sợi, tiếp năng lượng cho các phân tử khí argon và là nguyên nhân dẫn đến thay đổi với trung hồng ngoại.

Độ dày của các ống mini tubes tương ứng chặt chẽ với hai lần bước sóng của tia laser trung hồng ngoại được tạo ra. Vì vậy một ống mini với độ dày thành ống 1,6 micro mét tạo ra tia laser có bước sóng đạt đỉnh 3,7 micro mét.

Giáo sư Sébastien Février của trường ĐH Limoges, người nghiên cứu về tia laser trung hồng ngoại và không tham gia vào nghiên cứu của Chang, nhận xét là phương pháp tạo tia laser của nhóm của NTU “trái ngược hoàn toàn với cách thiết lập phi tuyến tính thông thường”.

“Hơn thế, do các sợi quang có thể được nối với nhau, các kết quả đó đã tiến thêm một bước trên con đường tạo ra tia laser trung hồng ngoại từ mọi cách chuyển động cơ học”.

Dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, tia laser trung hồng ngoại siêu nhanh của nhóm nghiên cứu hiệu quả gấp 1.000 lần so với tia laser do các phương pháp thông thường tạo ra bằng việc sử dụng sợi quang lõi rắn.

Các tia laser này có thể có cường độ mạnh gấp nhiều lần – có tiềm năng lên đến một triệu lần – so với tia laser trung hồng ngoại hiện nay được sử dụng trong các thiết bị cầm tay để dò các hợp chất độc hại. Do cường độ thấp của tia laser trung hồng ngoại đó mà các thiết bị cầm tay này không thể dò được các hợp chất ở ngoài phạm vi 100 mét.

“Với một tia laser cường độ cao, chúng tôi có thể đạt được độ nhạy cao và có tiềm năng sử dụng trong các thiết bị dò an toàn, ngay cả lượng hợp chất nhỏ mà tia laser hay ánh sáng được tạo ra bằng các phương pháp thông thường không làm được”, Chang nói.

Phương pháp tạo ra tia laser trung hồng ngoại có bước sóng 3 đến 4 micro mét của các nhà khoa học đã mở ra con đường phát triển nhiều cảm biến có độ chính xác cao hơn để phát hiện chất ô nhiễm trong môi trường và có thể là theo dõi sức khỏe.

Các tia laser của họ có thể hữu dụng trong nhận diện các khí đốt như methane hấp thụ bức xạ trung hồng ngoại trong phạm vi này. Và khi methane được tìm thấy trong hơi thở bệnh nhân có liên quan đến ung thư đại trực tràng, laser này có thể mở ra một cách giám sát sức khỏe của bệnh nhân thông qua phân tích hơi thở.

Trong tương lai, các nhà khoa học lên kế hoạch nghiên cứu sâu hơn để tạo tia laser trung hồng ngoại với bước sóng dài hơn và thậm chí sáng hơn.
Trợ lý giáo sư Chang tin là phương pháp của mình, về lý thuyết, tạo ra được tia laser trung hồng ngoại có bước sóng tới 10 micro mét.

Nhiều tia laser có thể mở rộng phạm vi của các hợp chất có thể nhận diện, bao gồm các hóa chất như formaldehyde có thể bị rò rỉ trong các tai nạn nhà xưởng và các hợp chất độc hại như nổ TNT, vốn hấp thụ bức xạ trung hồng ngoại với các bước sóng khoảng 6 đến 8 micro mét.

Giáo sư Février cho biết, nếu phổ các bước sóng của tia laser được tạo ra có thể mở rộng đến 10 micro mét thì “giữa vô số khả năng có thể, rõ ràng là nguồn sáng mới của nhóm nghiên cứu ở NTU có thể hữu dụng để dò các hóa chất độc hại trong không khí”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-gases-on-the-spot-generate-powerful-lasers.html

https://optics.org/news/14/11/7

——————————————-

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200882