中紅外線 (MIR：Mid-infrared)充滿了分子“指紋”信息，可被用來檢測大氣污染物以及癌細(xì)胞。
盡管目前有些激光已經(jīng)在此領(lǐng)域有所作為，催生各種光譜學(xué)應(yīng)用，但是他們的譜線寬度相對較窄，目前可檢測的物質(zhì)有限。
現(xiàn)在，德國和西班牙研究者開發(fā)了一套激光系統(tǒng)，其相位相干輻射（ phase-coherent emission）為6.8μm至16.4 μm，輸出功率為0.1W。該激光系統(tǒng)譜線寬度夠?qū)?，功率夠大，足夠檢測早期癌細(xì)胞的微妙跡象。
分子中紅外光譜吸收區(qū)以其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和吸收規(guī)律，提供了識別及標(biāo)識特異性甚至低集中度分子的有效手段。
激光輻射光譜和響應(yīng)的分子指紋區(qū)域。圖片來源：光子科學(xué)研究所（ICFO）
“癌癥引起細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容發(fā)生微小變化”，西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所小組領(lǐng)導(dǎo)Dr. Jens Biegert表示，“光看幾個(gè)納米的范圍，檢測這種變化的可能性很小。但是結(jié)合大量的這種間隔進(jìn)行對比，我們就可以清晰地捕捉到這種變化。”
這種新型激光系統(tǒng)通過差頻發(fā)生技術(shù)(Difference frequency generation)激發(fā)中紅外脈沖。由克爾透鏡鎖模(Kerr Lens ModeLocking(KLML)) Yb∶YAG薄片振蕩器通過差頻發(fā)生技術(shù)實(shí)現(xiàn)非線性壓縮脈沖，從而驅(qū)動(dòng)激光系統(tǒng)。其亮點(diǎn)是重復(fù)率達(dá)100MHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為66 fs——持續(xù)時(shí)間如此之短以至于電磁場每脈沖只振蕩兩次。
圖為研究者們研發(fā)發(fā)射中紅外線超短脈沖的激光系統(tǒng)。這些脈沖可用來檢測并追蹤氣態(tài)和液態(tài)介質(zhì)中的分子。圖片來源：Thorsten Naeser/德國慕尼黑大學(xué)。
“既然我們現(xiàn)在擁有高密度的致密源和相干的紅外線，我們就有了檢測分子感應(yīng)器，并且也適用于成批生產(chǎn)。”慕尼黑大學(xué)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)Dr. Ioachim Pupeza表示。
慕尼黑大學(xué)和光子科學(xué)研究所的研究者希望利用中紅外激光識別和量化呼出的空氣中的疾病分子?？茖W(xué)家認(rèn)為很多疾病，包括某些癌癥類型的疾病，會(huì)從肺部呼出的空氣中產(chǎn)生某種特別的分子。
“我們認(rèn)為呼出氣體中包含超過1000中不同分子種類。” 慕尼黑大學(xué)Dr. Alexander Apolonskiy表示。
然而，呼出氣體中的分子生物標(biāo)記非常之低，意味著診斷工具必須有能力檢測十億分之一密度下的分子。下一步科學(xué)家需要為該激光系統(tǒng)添加放大器來增強(qiáng)其亮度，提高靈敏度至萬億分之一。
檢測中紅外標(biāo)記
該激光輸出跨越超一倍頻度。到目前為止，研究者說，這種寬頻輻射只存在于大型同步光源中。
其他更加緊密的中紅外光源，如量子級聯(lián)激光器（QCL：quantum cascade lasers）擁有更窄的譜線寬度。把他們調(diào)節(jié)至感應(yīng)波段非常耗時(shí)，而且在中紅外不同部位結(jié)合多種量子級聯(lián)激光器成本不允許。
同時(shí)，該激光的100MHz脈沖序列比最先進(jìn)的頻率梳更強(qiáng)勁百倍千倍以上。
然而，檢測寬頻中紅外信號也有其自身的缺陷。檢測器在此區(qū)域的信噪比低，除非用?液氮冷卻才能提高信噪比。
在這種情況下，光電采樣被證明是一個(gè)更好的選擇。
“在中紅外范圍內(nèi)，你需要同時(shí)具備一個(gè)寬頻、物相穩(wěn)定中紅外脈沖和超短樣品脈沖，難度有點(diǎn)大。”研究人員說。
利用寬頻激光解決這個(gè)問題后，該研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以利用光電采樣來提取他們所需要的數(shù)據(jù)。
簡而言之，整個(gè)過程為：中紅外脈沖電磁場改變晶體雙折射。這種改變可以通過觀察近紅外脈沖偏振如何改變，同時(shí)如何通過同一個(gè)晶體擴(kuò)散而進(jìn)行測量。最后，只有近紅外是直接測量的。
“因此，近紅外的低信噪比檢測是一大優(yōu)勢，即使近紅外激光獲取在中紅外有關(guān)頻光譜分量的信息”，研究人員表示，“在有了電磁場之后，你只需要運(yùn)行傅里葉變換來獲取脈沖頻譜。”
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