En ny type optisk fiber kan transportere lys med længere bølgelængder end nogensinde før, viser enestående danske forsøg. Glasfiberen har potentiale til lynhurtigt at afsløre fødevaresnyd og kræftsygdomme.
»Man vil kunne bruge den nye teknik til meget præcist at måle, hvordan en kræftcelle udvikler sig på et tidligt stadie, potentielt uden at man behøver at skære i vævet,« siger Ole Bang, der er professor på DTU Fotonik.
»Fødevareindustrien er også meget interesseret, fordi teknikken vil kunne bruges til ultrahurtigt at analysere, om fødevarer indeholder andet end det, der står på produktbeskrivelsen, og der er mange andre anvendelsesmuligheder, for eksempel at måle forurening.«
Lyskilde kan afsløre molekylære bindinger
Ligesom andre strålingsapparater kan den nye fiberlaserteknik, som Ole Bang og hans kolleger fra Institut for Fotonik på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og Aarhus Universitet (AU) har været med til at udvikle, på sigt kunne bruges til måle, hvilke molekylære bindinger fødevarer, vævsprøver og andre former for biologisk materiale består af.
Men med den nye optiske fiber vil man kunne gøre det ekstremt meget hurtigere og mere præcist, end man kan med de apparater, der allerede er i brug.
Resultatet er så enestående, at det netop er publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Photonics.
Nuværende lyskilder er ikke nær så effektive
Ole Bang og hans forskergruppe har sammen med britiske kollegaer udviklet den nye teknik, som er en såkaldt superkontinuum-laserlyskilde, der kan dække et bølgelængde-spektrum fra 1,4 til 13,3 mikrometer. Det er første gang nogensinde, at en superkontinuum lyskilde er nået så langt ud.
Forskere, fødevareindustrien, hospitaler og en række andre industrielle brancher har i lang tid været interesseret i at udvikle den slags optiske fiberlasere, der udsender midt-infrarød lys, fordi fiberlasernes lys er ekstremt kraftigt og kan fokuseres til en lille plet.
Derfor kan det trænge langt dybere ind i eksempelvis biologisk materiale end de lyskilder, der traditionelt har været brugt til spektroskopi og fødevarekontrol. Lyskilder, som transporterer midt-infrarød lys, er da også allerede i brug, men de er ikke helt så effektive som ønsket.
»Problemet er, at de lyskilder, man i dag bruger, for eksempel til fødevareanalyse, er svage og sender lyset ud i alle retninger. Derfor er strålingen ikke særlig koncentreret og har en meget lille intensitet i målepunktet,« siger Ole Bang.
Den nye superkontinuum-fiberlaser når tilstrækkelig langt ud i bølgelængde og vil kunne produceres til en rimelig pris, så den i fremtiden med fordel kan anvendes af industrien, spår Ole Bang.
Strålinger sætter molekyler i svingninger
Fiberlaseren virker ligesom de stråleapparater, man allerede bruger på hospitaler og til fødevarekontrol:
-
Når man bestråler fødevarer, hudprøver eller anden biologisk materiale med infrarødt lys, bliver materialets molekyler sat i svingninger og absorberer ved helt karakteristiske bølgelængder.
-
Ved at måle hvilke bølgelængder lyset absorberes ved kan man udlede, hvilke type molekylære bindinger materialet består af.
- Et problem er, at al biologisk materiale indeholder vand, og da vand absorberer lys, har intensiteten af de lyskilder, man hidtil har brugt for eksempel til at lave spektroskopi, været en begrænsende faktor.
»Da den lyskilde, vi nu har fremstillet, er størrelsesordener kraftigere, end dem man hidtil har brugt, kan den trænge dybere ind i alt, også materiale, der indeholder vand,« siger Ole Bang.
Sådan har forskerne gjort
Ole Bang og hans gruppe har brugt avancerede lasere til at danne midt-infrarødt lys i de nye optiske fibre, som de har fået fabrikeret på University of Nottingham.
De bittesmå glasfiberkabler, som er omkring 300 mikrometer i diameter med en fiberkerne-diameter på kun godt 16 mikrometer, viste sig at være eminente til at danne og transportere midt-infrarødt lys i en ekstremt koncentreret stråle:
Fiberen, som er lavet af chalcogenider (As2Se3 og Ge10As23.4Se66.6), er op til en faktor 1.000 bedre til at danne superkontinuum end de normale silica-baserede glasfibre, der bruges til telekommunikation.
»De optiske fibre, som kan transportere lys i det midt-infrarøde spektrum, der bruges i dag, taber meget lys undervejs, specielt ved bølgelængder over 8 mikrometer. Det glasfiberkabel, vi har fået fremstillet, holder lyset samlet helt ud til rekorden på 13,3 mikrometer.«
»Det betyder, at man kan rette en ekstremt kraftig lyskilde præcis mod det materiale, man gerne vil undersøge,« siger ph.d.-studerende Christian Rosenberg Petersen, der har været en af hovedkræfterne bag eksperimenterne i laboratoriet på DTU Fotonik.
Indtil videre har forskerne fra DTU udelukkende slået verdensrekorden i at bruge infrarøde lasere inde bag laboratoriets vægge, men planen er, at teknikken fremover skal udvikles, så den kan bruges i hurtige, præcise og håndterbare stråleapparater i fødevareindustrien, på hospitaler, i forsvaret og andre steder.
