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胞。

　　盡管目前有些激光已經在此領域有所作為，催生各種光譜學應用，但是他們的譜線寬度相對較窄，目前可檢測的物質有限。

　　現在，德國和西班牙研究者開發了一套激光系統，其相位相干輻射（ phase-coherent emission）為6.8μm至16.4 μm，輸出功率為0.1W。該激光系統譜線寬度夠寬，功率夠大，足夠檢測早期癌細胞的微妙跡象。

　　分子中紅外光譜吸收區以其獨特的原子結構和吸收規律，提供了識別及標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的分子指紋區域。圖片來源：光子科學研究所（ICFO）

　　“癌癥引起細胞內蛋白質結構和內容發生微小變化”，西班牙巴塞羅那光子科學研究所小組領導Dr. Jens Biegert表示，“光看幾個納米的范圍，檢測這種變化的可能性很小。但是結合大量的這種間隔進行對比，我們就可以清晰地捕捉到這種變化。”

　　這種新型激光系統通過差頻發生技術(Difference frequency generation)激發中紅外脈沖。由克爾透鏡鎖模(Kerr Lens ModeLocking(KLML)) Yb∶YAG薄片振蕩器通過差頻發生技術實現非線性壓縮脈沖，從而驅動激光系統。其亮點是重復率達100MHz，脈沖持續時間為66 fs——持續時間如此之短以至于電磁場每脈沖只振蕩兩次。

　　研究者們研發發射中紅外線超短脈沖的激光系統。這些脈沖可用來檢測并追蹤氣態和液態介質中的分子。圖片來源：Thorsten Naeser/德國慕尼黑大學。

　　“既然我們現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器，并且也適用于成批生產。”慕尼黑大學項目領導Dr. Ioachim Pupeza表示。

　　慕尼黑大學和光子科學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。科學家認為很多疾病，包括某些癌癥類型的疾病，會從肺部呼出的空氣中產生某種特別的分子。

　　“我們認為呼出氣體中包含超過1000中不同分子種類。” 慕尼黑大學Dr. Alexander Apolonskiy表示。

　　然而，呼出氣體中的分子生物標記非常之低，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。下一步科學家需要為該激光系統添加放大器來增強其亮度，提高靈敏度至萬億分之一。

　　檢測中紅外標記

　　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，如量子級聯激光器（QCL：quantum cascade lasers）擁有更窄的譜線寬度。把他們調節至感應波段非常耗時，而且在中紅外不同部位結合多種量子級聯激光器成本不允許。

　　同時，該激光的100MHz脈沖序列比最先進的頻率梳更強勁百倍千倍以上。

　　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更好的選擇。

　　“在中紅外范圍內，你需要同時具備一個寬頻、物相穩定中紅外脈沖和超短樣品脈沖，難度有點大。”研究人員說。

　　利用寬頻激光解決這個問題后，該研究團隊現在可以利用光電采樣來提取他們所需要的數據。

　　簡而言之，整個過程為：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，同時如何通過同一個晶體擴散而進行測量。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勢，即使近紅外激光獲取在中紅外有關頻光譜分量的信息”，研究人員表示，“在有了電磁場之后，你只需要運行傅里葉變換來獲取脈沖頻譜。”

方圓激光

2015-1023