超短脈沖激光發(fā)射出的中紅外激光可以通過(guò)分子指紋區(qū) 的化學(xué)特征來(lái)擴(kuò)大識(shí)別的能力。

大約在20年之前，光譜學(xué)家 主要依靠分析技術(shù)中的 工具箱（分析儀器）來(lái)收集所需要的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。從氣相色譜分析（gas chromatography）到質(zhì)譜分析法（mass spectrometry ）到高性能的液相色譜（high-performance liquid chromatography）到核磁共振掃描儀（nuclear magnetic resonance imaging），這些測(cè)試技術(shù)在實(shí)際操作的過(guò)程中均屬于耗時(shí)和費(fèi)錢的，而且還依靠大型的分析設(shè)備才能完成。

利用波長(zhǎng)為可見光和近紅外的超快激光

圖解：分光法 的分析領(lǐng)域開始充分利用超快激光在中紅外波長(zhǎng)（3到15 m）范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，開辟了一個(gè)測(cè)量的新市場(chǎng)和激光測(cè)量的新應(yīng)用

在過(guò)去的幾十年里，對(duì)快速、高分辨率和更加精確的光譜學(xué)的分析工具的需求正在不斷地增長(zhǎng)，得益于超快激光技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)技術(shù)測(cè)量的復(fù)蘇起到了重要的作用。對(duì)于在大氣中的化學(xué)物質(zhì)需要快速定量和快速進(jìn)行質(zhì)量評(píng)測(cè)，如，采用諸如拉曼光譜的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，由于速度太慢而處于被替代的地位。緊接著，快速的測(cè)量技術(shù)則廣泛的應(yīng)用于食品安全、農(nóng)業(yè)到石油化工和醫(yī)藥等行業(yè)。

圖：同取向圖案化砷化鎵 （orientation-patterned gallium arsenide (OPGaAs)）為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體相比較，新的取向圖案化磷化鎵 （ orientation-patterned gallium phosphide (OPGaP)）材料賦予光譜學(xué)的光源可以探測(cè)5到12-m 的范圍。這類光源的高的亮度的同時(shí)也會(huì)使得防區(qū)外探測(cè) 成為可能，通過(guò)一定范圍的化學(xué)特征可以被定量和定性在十億分之幾的分辨率，且在一個(gè)顯著的距離范圍內(nèi)進(jìn)行通過(guò)儀器探測(cè)頭來(lái)探測(cè)。

被稱之為分子指紋區(qū)的范圍是指波長(zhǎng)在5 到15 m的范圍內(nèi)，此時(shí)更加復(fù)雜的化合物具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)化簽名 。識(shí)別這些化學(xué)的特征和將他們從其他物質(zhì)中區(qū)分開來(lái)，需要高分辨率的利用激光源的光譜學(xué)技術(shù)，這些激光光源需要可以覆蓋這些指紋區(qū)。

超短的革命

自從克爾透鏡鎖模 Ti：Sapphire激光發(fā)展起來(lái)開始，用于光學(xué)光譜學(xué)分析的超短脈沖激光取得了顯著的進(jìn)展。

激光的較寬的光頻帶可以支撐較短的脈沖持續(xù)時(shí)間。這一能力可以增加實(shí)現(xiàn)高的峰值功率，從而反過(guò)來(lái)增加在其他材料中產(chǎn)生非線性效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)杠桿效應(yīng)，如差頻的產(chǎn)生（difference-frequency generation (DFG)） 。DFG是第一個(gè)可以讓激光制造商來(lái)典型的將激光應(yīng)用于生成在中紅外波段的波長(zhǎng)，從而滿足高分辨率數(shù)據(jù)分析的需要。

在DFG中，有兩個(gè)頻率相互作用以生成較低能量但具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子。較低能量的光子，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，可以促使該光子有能力轉(zhuǎn)向生成在中紅外波段的光。例如，正確的同步一個(gè)鎖模的1-m 的激光源在一個(gè)1.5-m的光源范圍內(nèi)的脈沖，并且指向一個(gè)非線性的晶體在正確的時(shí)間內(nèi)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)超過(guò)3 m，達(dá)到 5 m的波長(zhǎng)，如果1.5-m的光源調(diào)制到一個(gè)比較短的波長(zhǎng)的前提下。在這一范圍內(nèi)的光源是適合不同的光譜學(xué)的應(yīng)用的。 輕質(zhì)烴如甲烷和乙烷 ，分享著一定數(shù)量的重要的在這一范圍內(nèi)的化學(xué)特征。

然而，由于DFG是一個(gè)單通道的非線性工藝，其產(chǎn)生的功率是比較低的，因此這一工藝并不是非常有效的。于是，經(jīng)常在實(shí)踐中被認(rèn)為是一個(gè)非常昂貴的技術(shù)。

從光參量放大器 （optical parametric amplifiers (OPAs)）到 量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade lasers (QCLs)）

DFG光源所產(chǎn)生的功率導(dǎo)致了一種產(chǎn)生更高激光功率的解決辦法，包括光參量放大器（optical parametric amplifiers (OPAs)），這一辦法可以顯著的得到較高的脈沖能量。光參量放大工藝可與在較低的脈沖重復(fù)頻率的條件下運(yùn)行。同鋪展整個(gè)的平均功率到一個(gè)較少的脈沖中，每一脈沖的能量就會(huì)增加，從而使得更好的非線性轉(zhuǎn)換成中紅外的波長(zhǎng)。然而，光參量放大器具有大的空間體積，固有的昂貴的特點(diǎn)以及在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具有復(fù)雜的特性，從而需要類似激光物理學(xué)家的水平才能駕馭它。

圖：對(duì)于光學(xué)分析的應(yīng)用，需要高亮度和較寬的可調(diào)制性，研究人員通常將目光轉(zhuǎn)向光參量振蕩器（optical parametric oscillators (OPOs)）上，這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。OPOs是比較典型的吸收非線性晶體的技術(shù)，諸如周期極化鈮酸鋰 （periodically poled lithium niobate (PPLN)）或磷酸鈦鉀 （potassium titanyl phosphate (KTP)）。但是這些晶體的 透明窗限制了他們產(chǎn)生超過(guò)5 m波長(zhǎng)光的能力。

最近，量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade lasers (QCLs)）作為一種替代中紅外波長(zhǎng)范圍的替代品出現(xiàn)。該激光器可以探測(cè)的范圍超過(guò)5或 6 m，而DFG為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的激光器則還一直在為突破這一范圍而掙扎中。量子級(jí)聯(lián)激光器并不是一種超短脈沖的光源。它是一種以半導(dǎo)體激光器件為基礎(chǔ)的運(yùn)行在納秒范圍內(nèi)的，比較典型的在千赫(茲)脈沖重復(fù)頻率范圍內(nèi)的光源。這就意味著他們的脈沖能量可以非常低。而且，量子級(jí)聯(lián)激光器具有非常窄的光譜帶寬，同一個(gè)超快激光光源相比，這就可以提供一個(gè)有限的可調(diào)制能力。

量子級(jí)聯(lián)激光器一直是光譜學(xué)家比較青睞的光源，尤其比較感興趣的是分子指紋區(qū)的范圍。因?yàn)樗?dú)特的窄的帶寬可以通過(guò)這一波長(zhǎng)的范圍，然而，這一復(fù)雜的化學(xué)信號(hào)中的化合物，如神經(jīng)毒劑沙林（nerve agents sarin）和諾維喬克（Novichok），在沒有一個(gè)光源可以達(dá)到中紅外光譜范圍的時(shí)候是比較難探測(cè)的。

量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)緊湊的特性和吸引人的價(jià)格使得它在早期就比OPAs和DFG具有更具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。但量子級(jí)聯(lián)激光器的卻有其他的考慮。該設(shè)備的納秒脈沖的特點(diǎn)使得該光源具有與生俱來(lái)的的較窄的帶寬，它缺乏可調(diào)制性，從而限制了量子級(jí)聯(lián)激光器波長(zhǎng)的覆蓋范圍。最終，這一缺乏也限制了其在不使用整個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器耦合放大的光譜學(xué)裝備的時(shí)候表征多個(gè)化學(xué)特性的能力。

超連續(xù)光譜激光的發(fā)展代表著一個(gè)額外的可以在中紅外波長(zhǎng)的范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)的波長(zhǎng)。通過(guò)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光源中發(fā)出非常短的脈沖激光，例如在1 m，通過(guò)特殊的光子晶體光纖制造出非線性效應(yīng)來(lái)通過(guò)四波混頻過(guò)程。通過(guò)這一過(guò)程，當(dāng)它通過(guò)光纖的時(shí)候光轉(zhuǎn)向成一個(gè)比較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。因此， 1-m的光就進(jìn)入光纖并發(fā)出一個(gè)顯著的具有較寬光譜帶寬的較長(zhǎng)的波長(zhǎng)的光。

然而，由于原始脈沖的帶寬可以鋪展開來(lái)并轉(zhuǎn)向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，每納米的功率就典型的比較低，盡管它足夠滿足需要百萬(wàn)分之一靈敏度 光譜學(xué)分析的應(yīng)用，如乙炔和甲烷 中多組分的氣體濃度探測(cè)的需要。

對(duì)于需要高亮度和較寬的可調(diào)制性的光譜學(xué)的應(yīng)用，研究人員通常會(huì)調(diào)制到光參量振蕩器（ optical parametric oscillators (OPOs)）上來(lái)。這一光源的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)就在于它可以產(chǎn)生兩個(gè)激光線，稱之為信號(hào)和惰輪。這些系統(tǒng)可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)制。他們可以典型的將非線性晶體進(jìn)行融合，如 周期性極化鈮酸鋰（periodically poled lithium niobate (PPLN)）或磷酸鈦鉀（potassium titanyl phosphate (KTP)）。但這些晶體的透明窗口限制了其產(chǎn)生超過(guò)5 m以上波長(zhǎng)范圍進(jìn)行調(diào)制的能力。

傅里葉變換紅外光譜多組分氣體探測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖解：該裝置是下一代PPLN為基礎(chǔ)的OPOs，可以產(chǎn)生高亮度的在1.4- 到 4-m 光譜范圍的激光

OPGaAs是一種半導(dǎo)體，可以插入在OPO的腔體內(nèi)。當(dāng)在短脈沖的激光系統(tǒng)中進(jìn)行泵浦的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生相匹配的狀況，從而產(chǎn)生波長(zhǎng)在5到8 m范圍的中紅外波長(zhǎng)。

在最近，一個(gè)新的材料稱之為取向圖案化磷化鎵 （orientation-patterned gallium phosphide (OPGaP)）開始逐漸取代OPGaAs。OPGaP的優(yōu)點(diǎn)在于它可以產(chǎn)生波長(zhǎng)范圍為 5- 到12-m波長(zhǎng)范圍的光。另外一個(gè)更具優(yōu)勢(shì)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以被1-m波長(zhǎng)的激光所泵浦。這一技術(shù)具有非常大的商業(yè)化的潛力，在于它可以實(shí)現(xiàn)高效率的摻鐿光纖在1.03-到 1.08-m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生激光增益。OPGaP隨后可以促進(jìn)中紅外激光光源的發(fā)展，用以制造出穩(wěn)定的/寬帶系統(tǒng)的激光，可以在更加寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用。

復(fù)雜分子的吸收光譜

圖解：易于識(shí)別的分子的特征穿過(guò)5- 到 12-m 波長(zhǎng)的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了PPLN所能達(dá)到的范圍。OPGaP所產(chǎn)生的較長(zhǎng)的中紅外波長(zhǎng)的激光的引入可以成為有利的探測(cè)分子指紋區(qū)的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)替代者

OPGaP光源的較寬的帶寬能力使得它可以在單次掃描的時(shí)候 就可以識(shí)別出幾個(gè)非常重要的化學(xué)特征，精度達(dá)到了十億分之一的分辨率 。OPGaP系統(tǒng)較高的亮度Vs量子級(jí)聯(lián)激光器，意味著信噪比也顯著的高，這對(duì)光譜學(xué)的測(cè)量來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

應(yīng)用

OPGaP最顯著的優(yōu)點(diǎn)就在于它可以產(chǎn)生的波長(zhǎng)范圍為 5- 到12-m的光。

OPGaP為基礎(chǔ)的光源所造成的高亮度使得它可以實(shí)現(xiàn)防區(qū)外探測(cè) ，通過(guò)這一設(shè)備，大范圍的化學(xué)特征均可以實(shí)現(xiàn)定性和定量的探測(cè)，其精度可以在距離探頭一定距離的范圍內(nèi)達(dá)到十億分之幾的分辨率。OPGaP的高脈沖重復(fù)頻率，結(jié)合算法可以 在這些設(shè)置中進(jìn)行去卷積這些信號(hào)。進(jìn)一步的在亞秒域 內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)性的刷新頻率。這一特征可以在多個(gè)相關(guān)的領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括藥物/能源/健康/安全以及國(guó)防等。

一個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用是利用 傅立葉變換紅外光譜法（Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)）在指紋區(qū)域的目標(biāo)識(shí)別。安全和國(guó)防組織則表明不斷對(duì)FTIR在識(shí)別化學(xué)特征的能力保有持續(xù)的興趣，如在安全距離內(nèi)探測(cè)神經(jīng)毒劑沙林和vx （ nerve agents sarin and VX）。在不論如何都要保證安全的區(qū)域，如氣體/液體/溶膠或固體等。

在健康保健領(lǐng)域，中紅外的激光源可以通過(guò)檢測(cè)患者而不需要直接的干預(yù)來(lái)促成患者的呼吸健康進(jìn)行分析。這一能力使得在呼吸的階段進(jìn)行患者癌癥的探測(cè)，可以在對(duì)血樣就行檢測(cè)之前就進(jìn)行探測(cè)。這一早期的診斷技術(shù)可以幫助我們拯救生命和潛在的產(chǎn)生顯著的用于醫(yī)療康復(fù)的費(fèi)用。

在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用，一個(gè)比較廣泛的應(yīng)用FTIR就在藥物發(fā)展的高產(chǎn)出階段。當(dāng)從一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)另外一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，確保制造工藝不會(huì)受到 前一道工藝的化學(xué)污染是非常重要的。在當(dāng)前，還沒有一種快速的檢測(cè)技術(shù)可以確保，目前的測(cè)試設(shè)備需要經(jīng)受時(shí)間上的浪費(fèi)和成本上巨大花費(fèi)的清潔過(guò)程。采用寬帶寬的以O(shè)PGaP為基礎(chǔ)的激光源來(lái)檢測(cè)設(shè)備可以幫助我們識(shí)別多個(gè)化學(xué)特征，并潛在的節(jié)省時(shí)間和金錢。

最后，當(dāng)氣候變化在全球提上日程的時(shí)候，全世界的政府都將目光聚焦在引入新的環(huán)境保護(hù)調(diào)節(jié)方案和探索新的技術(shù)和工藝來(lái)對(duì)大氣進(jìn)行更加有效的調(diào)控。日益增長(zhǎng)的對(duì)環(huán)境質(zhì)量質(zhì)量探測(cè)的需求，意味著中紅外波長(zhǎng)的OPO激光光源正成為潛在的游戲規(guī)則的改變者，這在于它具有在一個(gè)較長(zhǎng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)快速的探測(cè)和量化空氣中的污染物的探測(cè)能力。

關(guān)于本文作者：

Christopher Leburn是超快激光器公司Chromacity的共同創(chuàng)立者和該公司的商業(yè)部門的主任。他擁有超快激光方向的博士學(xué)位并獲得了英國(guó)愛丁堡皇家學(xué)會(huì)授予他加速了Chromacity公司成長(zhǎng)的榮譽(yù)。

備注：Chromacity Lasers公司由英國(guó)在光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的Heriot-Watt大學(xué)分拆而出，其科研團(tuán)隊(duì)有著超過(guò)40年的超快和光纖激光器經(jīng)驗(yàn)，已開發(fā)出從UV（400nm）到MIR（>6um）的波長(zhǎng)可調(diào)諧飛秒激光器，廣泛應(yīng)用于熒光顯微、氣體光譜學(xué)、激光材料加工和半導(dǎo)體工程等科研和工業(yè)領(lǐng)域。

本文作者：CHRISTOPHER LEBURN, CHROMACITY LTD.