超短脈衝(chong) 激光發射出的中紅外激光可以通過分子指紋區 的化學特征來擴大識別的能力。

大約在20年之前，光譜學家 主要依靠分析技術中的 工具箱（分析儀(yi) 器）來收集所需要的數據來實現測量。從(cong) 氣相色譜分析（gas chromatography）到質譜分析法（mass spectrometry ）到高性能的液相色譜（high-performance liquid chromatography）到核磁共振掃描儀(yi) （nuclear magnetic resonance imaging），這些測試技術在實際操作的過程中均屬於(yu) 耗時和費錢的，而且還依靠大型的分析設備才能完成。

利用波長為(wei) 可見光和近紅外的超快激光

圖解：分光法 的分析領域開始充分利用超快激光在中紅外波長（3到15 m）範圍內(nei) 進行測量，開辟了一個(ge) 測量的新市場和激光測量的新應用

在過去的幾十年裏，對快速、高分辨率和更加精確的光譜學的分析工具的需求正在不斷地增長，得益於(yu) 超快激光技術的發展，對光學技術測量的複蘇起到了重要的作用。對於(yu) 在大氣中的化學物質需要快速定量和快速進行質量評測，如，采用諸如拉曼光譜的技術進行測量，由於(yu) 速度太慢而處於(yu) 被替代的地位。緊接著，快速的測量技術則廣泛的應用於(yu) 食品安全、農(nong) 業(ye) 到石油化工和醫藥等行業(ye) 。

圖：同取向圖案化砷化镓 （orientation-patterned gallium arsenide (OPGaAs)）為(wei) 基礎的半導體(ti) 相比較，新的取向圖案化磷化镓 （ orientation-patterned gallium phosphide (OPGaP)）材料賦予光譜學的光源可以探測5到12-m 的範圍。這類光源的高的亮度的同時也會(hui) 使得防區外探測 成為(wei) 可能，通過一定範圍的化學特征可以被定量和定性在十億(yi) 分之幾的分辨率，且在一個(ge) 顯著的距離範圍內(nei) 進行通過儀(yi) 器探測頭來探測。

被稱之為(wei) 分子指紋區的範圍是指波長在5 到15 m的範圍內(nei) ，此時更加複雜的化合物具有獨特的結構化簽名 。識別這些化學的特征和將他們(men) 從(cong) 其他物質中區分開來，需要高分辨率的利用激光源的光譜學技術，這些激光光源需要可以覆蓋這些指紋區。

超短的革命

自從(cong) 克爾透鏡鎖模 Ti：Sapphire激光發展起來開始，用於(yu) 光學光譜學分析的超短脈衝(chong) 激光取得了顯著的進展。

激光的較寬的光頻帶可以支撐較短的脈衝(chong) 持續時間。這一能力可以增加實現高的峰值功率，從(cong) 而反過來增加在其他材料中產(chan) 生非線性效應以實現杠杆效應，如差頻的產(chan) 生（difference-frequency generation (DFG)） 。DFG是第一個(ge) 可以讓激光製造商來典型的將激光應用於(yu) 生成在中紅外波段的波長，從(cong) 而滿足高分辨率數據分析的需要。

在DFG中，有兩(liang) 個(ge) 頻率相互作用以生成較低能量但具有較長波長的光子。較低能量的光子，較長波長的光，可以促使該光子有能力轉向生成在中紅外波段的光。例如，正確的同步一個(ge) 鎖模的1-m 的激光源在一個(ge) 1.5-m的光源範圍內(nei) 的脈衝(chong) ，並且指向一個(ge) 非線性的晶體(ti) 在正確的時間內(nei) 來產(chan) 生一個(ge) 超過3 m，達到 5 m的波長，如果1.5-m的光源調製到一個(ge) 比較短的波長的前提下。在這一範圍內(nei) 的光源是適合不同的光譜學的應用的。 輕質烴如甲烷和乙烷 ，分享著一定數量的重要的在這一範圍內(nei) 的化學特征。

然而，由於(yu) DFG是一個(ge) 單通道的非線性工藝，其產(chan) 生的功率是比較低的，因此這一工藝並不是非常有效的。於(yu) 是，經常在實踐中被認為(wei) 是一個(ge) 非常昂貴的技術。

從(cong) 光參量放大器 （optical parametric amplifiers (OPAs)）到 量子級聯激光器（quantum cascade lasers (QCLs)）

DFG光源所產(chan) 生的功率導致了一種產(chan) 生更高激光功率的解決(jue) 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衝(chong) 能量。光參量放大工藝可與(yu) 在較低的脈衝(chong) 重複頻率的條件下運行。同鋪展整個(ge) 的平均功率到一個(ge) 較少的脈衝(chong) 中，每一脈衝(chong) 的能量就會(hui) 增加，從(cong) 而使得更好的非線性轉換成中紅外的波長。然而，光參量放大器具有大的空間體(ti) 積，固有的昂貴的特點以及在係統運行時具有複雜的特性，從(cong) 而需要類似激光物理學家的水平才能駕馭它。

圖：對於(yu) 光學分析的應用，需要高亮度和較寬的可調製性，研究人員通常將目光轉向光參量振蕩器（optical parametric oscillators (OPOs)）上，這一技術可以實現在較寬波長範圍內(nei) 的調節。OPOs是比較典型的吸收非線性晶體(ti) 的技術，諸如周期極化铌酸鋰 （periodically poled lithium niobate (PPLN)）或磷酸鈦鉀 （potassium titanyl phosphate (KTP)）。但是這些晶體(ti) 的 透明窗限製了他們(men) 產(chan) 生超過5 m波長光的能力。

最近，量子級聯激光器（quantum cascade lasers (QCLs)）作為(wei) 一種替代中紅外波長範圍的替代品出現。該激光器可以探測的範圍超過5或 6 m，而DFG為(wei) 基礎發展起來的激光器則還一直在為(wei) 突破這一範圍而掙紮中。量子級聯激光器並不是一種超短脈衝(chong) 的光源。它是一種以半導體(ti) 激光器件為(wei) 基礎的運行在納秒範圍內(nei) 的，比較典型的在千赫(茲(zi) )脈衝(chong) 重複頻率範圍內(nei) 的光源。這就意味著他們(men) 的脈衝(chong) 能量可以非常低。而且，量子級聯激光器具有非常窄的光譜帶寬，同一個(ge) 超快激光光源相比，這就可以提供一個(ge) 有限的可調製能力。

量子級聯激光器一直是光譜學家比較青睞的光源，尤其比較感興(xing) 趣的是分子指紋區的範圍。因為(wei) 它獨特的窄的帶寬可以通過這一波長的範圍，然而，這一複雜的化學信號中的化合物，如神經毒劑沙林（nerve agents sarin）和諾維喬(qiao) 克（Novichok），在沒有一個(ge) 光源可以達到中紅外光譜範圍的時候是比較難探測的。

量子級聯激光器結構緊湊的特性和吸引人的價(jia) 格使得它在早期就比OPAs和DFG具有更具競爭(zheng) 力的優(you) 勢。但量子級聯激光器的卻有其他的考慮。該設備的納秒脈衝(chong) 的特點使得該光源具有與(yu) 生俱來的的較窄的帶寬，它缺乏可調製性，從(cong) 而限製了量子級聯激光器波長的覆蓋範圍。最終，這一缺乏也限製了其在不使用整個(ge) 量子級聯激光器耦合放大的光譜學裝備的時候表征多個(ge) 化學特性的能力。

超連續光譜激光的發展代表著一個(ge) 額外的可以在中紅外波長的範圍內(nei) 進行探測的波長。通過在一個(ge) 標準的光源中發出非常短的脈衝(chong) 激光，例如在1 m，通過特殊的光子晶體(ti) 光纖製造出非線性效應來通過四波混頻過程。通過這一過程，當它通過光纖的時候光轉向成一個(ge) 比較長的波長。因此， 1-m的光就進入光纖並發出一個(ge) 顯著的具有較寬光譜帶寬的較長的波長的光。

然而，由於(yu) 原始脈衝(chong) 的帶寬可以鋪展開來並轉向較長的波長，每納米的功率就典型的比較低，盡管它足夠滿足需要百萬(wan) 分之一靈敏度 光譜學分析的應用，如乙炔和甲烷 中多組分的氣體(ti) 濃度探測的需要。

對於(yu) 需要高亮度和較寬的可調製性的光譜學的應用，研究人員通常會(hui) 調製到光參量振蕩器（ optical parametric oscillators (OPOs)）上來。這一光源的一個(ge) 最主要的優(you) 點就在於(yu) 它可以產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 激光線，稱之為(wei) 信號和惰輪。這些係統可以在較寬的波長範圍內(nei) 進行調製。他們(men) 可以典型的將非線性晶體(ti) 進行融合，如 周期性極化铌酸鋰（periodically poled lithium niobate (PPLN)）或磷酸鈦鉀（potassium titanyl phosphate (KTP)）。但這些晶體(ti) 的透明窗口限製了其產(chan) 生超過5 m以上波長範圍進行調製的能力。

傅裏葉變換紅外光譜多組分氣體(ti) 探測實驗

圖解：該裝置是下一代PPLN為(wei) 基礎的OPOs，可以產(chan) 生高亮度的在1.4- 到 4-m 光譜範圍的激光

OPGaAs是一種半導體(ti) ，可以插入在OPO的腔體(ti) 內(nei) 。當在短脈衝(chong) 的激光係統中進行泵浦的時候，就會(hui) 產(chan) 生相匹配的狀況，從(cong) 而產(chan) 生波長在5到8 m範圍的中紅外波長。

在最近，一個(ge) 新的材料稱之為(wei) 取向圖案化磷化镓 （orientation-patterned gallium phosphide (OPGaP)）開始逐漸取代OPGaAs。OPGaP的優(you) 點在於(yu) 它可以產(chan) 生波長範圍為(wei) 5- 到12-m波長範圍的光。另外一個(ge) 更具優(you) 勢的優(you) 點在於(yu) 它可以被1-m波長的激光所泵浦。這一技術具有非常大的商業(ye) 化的潛力，在於(yu) 它可以實現高效率的摻鐿光纖在1.03-到 1.08-m 波長範圍內(nei) 產(chan) 生激光增益。OPGaP隨後可以促進中紅外激光光源的發展，用以製造出穩定的/寬帶係統的激光，可以在更加寬廣的範圍內(nei) 進行應用。

複雜分子的吸收光譜

圖解：易於(yu) 識別的分子的特征穿過5- 到 12-m 波長的範圍，遠遠超過了PPLN所能達到的範圍。OPGaP所產(chan) 生的較長的中紅外波長的激光的引入可以成為(wei) 有利的探測分子指紋區的強有力的競爭(zheng) 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候 就可以識別出幾個(ge) 非常重要的化學特征，精度達到了十億(yi) 分之一的分辨率 。OPGaP係統較高的亮度Vs量子級聯激光器，意味著信噪比也顯著的高，這對光譜學的測量來說也是一個(ge) 非常重要的指標。

應用

OPGaP最顯著的優(you) 點就在於(yu) 它可以產(chan) 生的波長範圍為(wei) 5- 到12-m的光。

OPGaP為(wei) 基礎的光源所造成的高亮度使得它可以實現防區外探測 ，通過這一設備，大範圍的化學特征均可以實現定性和定量的探測，其精度可以在距離探頭一定距離的範圍內(nei) 達到十億(yi) 分之幾的分辨率。OPGaP的高脈衝(chong) 重複頻率，結合算法可以 在這些設置中進行去卷積這些信號。進一步的在亞(ya) 秒域 內(nei) 實現實性的刷新頻率。這一特征可以在多個(ge) 相關(guan) 的領域得到應用，包括藥物/能源/健康/安全以及國防等。

一個(ge) 關(guan) 鍵的應用是利用 傅立葉變換紅外光譜法（Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)）在指紋區域的目標識別。安全和國防組織則表明不斷對FTIR在識別化學特征的能力保有持續的興(xing) 趣，如在安全距離內(nei) 探測神經毒劑沙林和vx （ nerve agents sarin and VX）。在不論如何都要保證安全的區域，如氣體(ti) /液體(ti) /溶膠或固體(ti) 等。

在健康保健領域，中紅外的激光源可以通過檢測患者而不需要直接的幹預來促成患者的呼吸健康進行分析。這一能力使得在呼吸的階段進行患者癌症的探測，可以在對血樣就行檢測之前就進行探測。這一早期的診斷技術可以幫助我們(men) 拯救生命和潛在的產(chan) 生顯著的用於(yu) 醫療康複的費用。

在醫藥工業(ye) 中的應用，一個(ge) 比較廣泛的應用FTIR就在藥物發展的高產(chan) 出階段。當從(cong) 一個(ge) 產(chan) 品生產(chan) 轉向生產(chan) 另外一個(ge) 產(chan) 品的時候，確保製造工藝不會(hui) 受到 前一道工藝的化學汙染是非常重要的。在當前，還沒有一種快速的檢測技術可以確保，目前的測試設備需要經受時間上的浪費和成本上巨大花費的清潔過程。采用寬帶寬的以OPGaP為(wei) 基礎的激光源來檢測設備可以幫助我們(men) 識別多個(ge) 化學特征，並潛在的節省時間和金錢。

最後，當氣候變化在全球提上日程的時候，全世界的政府都將目光聚焦在引入新的環境保護調節方案和探索新的技術和工藝來對大氣進行更加有效的調控。日益增長的對環境質量質量探測的需求，意味著中紅外波長的OPO激光光源正成為(wei) 潛在的遊戲規則的改變者，這在於(yu) 它具有在一個(ge) 較長遠的距離內(nei) 快速的探測和量化空氣中的汙染物的探測能力。

關(guan) 於(yu) 本文作者：

Christopher Leburn是超快激光器公司Chromacity的共同創立者和該公司的商業(ye) 部門的主任。他擁有超快激光方向的博士學位並獲得了英國愛丁堡皇家學會(hui) 授予他加速了Chromacity公司成長的榮譽。

備注：Chromacity Lasers公司由英國在光子學技術領域處於(yu) 領先地位的Heriot-Watt大學分拆而出，其科研團隊有著超過40年的超快和光纖激光器經驗，已開發出從(cong) UV（400nm）到MIR（>6um）的波長可調諧飛秒激光器，廣泛應用於(yu) 熒光顯微、氣體(ti) 光譜學、激光材料加工和半導體(ti) 工程等科研和工業(ye) 領域。

本文作者：CHRISTOPHER LEBURN, CHROMACITY LTD.