戀夜直播app官方正版下载_戀夜直播高品质美女在线视频互动社区_戀夜直播官方版

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

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）來收集所需要的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)測量。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），這些測試技術(shù)在實際操作的過程中均屬于耗時和費錢的，而且還依靠大型的分析設(shè)備才能完成。

利用波長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（3到15 m）范圍內(nèi)進(jìn)行測量，開辟了一個測量的新市場和激光測量的新應(yīng)用

在過去的幾十年里，對快速、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，得益于超快激光技術(shù)的發(fā)展，對光學(xué)技術(shù)測量的復(fù)蘇起到了重要的作用。對于在大氣中的化學(xué)物質(zhì)需要快速定量和快速進(jìn)行質(zhì)量評測，如，采用諸如拉曼光譜的技術(shù)進(jìn)行測量，由于速度太慢而處于被替代的地位。緊接著，快速的測量技術(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5到12-m 的范圍。這類光源的高的亮度的同時也會使得防區(qū)外探測 成為可能，通過一定范圍的化學(xué)特征可以被定量和定性在十億分之幾的分辨率，且在一個顯著的距離范圍內(nèi)進(jìn)行通過儀器探測頭來探測。

被稱之為分子指紋區(qū)的范圍是指波長在5 到15 m的范圍內(nèi)，此時更加復(fù)雜的化合物具有獨特的結(jié)構(gòu)化簽名 。識別這些化學(xué)的特征和將他們從其他物質(zhì)中區(qū)分開來，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)時間。這一能力可以增加實現(xiàn)高的峰值功率，從而反過來增加在其他材料中產(chǎn)生非線性效應(yīng)以實現(xiàn)杠桿效應(yīng)，如差頻的產(chǎn)生（difference-frequency generation (DFG)） 。DFG是第一個可以讓激光制造商來典型的將激光應(yīng)用于生成在中紅外波段的波長，從而滿足高分辨率數(shù)據(jù)分析的需要。

在DFG中，有兩個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(zhuǎn)向生成在中紅外波段的光。例如，正確的同步一個鎖模的1-m 的激光源在一個1.5-m的光源范圍內(nèi)的脈沖，并且指向一個非線性的晶體在正確的時間內(nèi)來產(chǎn)生一個超過3 m，達(dá)到 5 m的波長，如果1.5-m的光源調(diào)制到一個比較短的波長的前提下。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)常在實踐中被認(rèn)為是一個非常昂貴的技術(shù)。

從光參量放大器 （optical parametric amplifiers (OPAs)）到 量子級聯(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)頻率的條件下運行。同鋪展整個的平均功率到一個較少的脈沖中，每一脈沖的能量就會增加，從而使得更好的非線性轉(zhuǎn)換成中紅外的波長。然而，光參量放大器具有大的空間體積，固有的昂貴的特點以及在系統(tǒng)運行時具有復(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)可以實現(xiàn)在較寬波長范圍內(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5 m波長光的能力。

最近，量子級聯(lián)激光器（quantum cascade lasers (QCLs)）作為一種替代中紅外波長范圍的替代品出現(xiàn)。該激光器可以探測的范圍超過5或 6 m，而DFG為基礎(chǔ)發(fā)展起來的激光器則還一直在為突破這一范圍而掙扎中。量子級聯(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，量子級聯(lián)激光器具有非常窄的光譜帶寬，同一個超快激光光源相比，這就可以提供一個有限的可調(diào)制能力。

量子級聯(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。因為它獨特的窄的帶寬可以通過這一波長的范圍，然而，這一復(fù)雜的化學(xué)信號中的化合物，如神經(jīng)毒劑沙林（nerve agents sarin）和諾維喬克（Novichok），在沒有一個光源可以達(dá)到中紅外光譜范圍的時候是比較難探測的。

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

超連續(xù)光譜激光的發(fā)展代表著一個額外的可以在中紅外波長的范圍內(nèi)進(jìn)行探測的波長。通過在一個標(biāo)準(zhǔn)的光源中發(fā)出非常短的脈沖激光，例如在1 m，通過特殊的光子晶體光纖制造出非線性效應(yīng)來通過四波混頻過程。通過這一過程，當(dāng)它通過光纖的時候光轉(zhuǎn)向成一個比較長的波長。因此， 1-m的光就進(jìn)入光纖并發(fā)出一個顯著的具有較寬光譜帶寬的較長的波長的光。

然而，由于原始脈沖的帶寬可以鋪展開來并轉(zhuǎn)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的需要。

對于需要高亮度和較寬的可調(diào)制性的光譜學(xué)的應(yīng)用，研究人員通常會調(diào)制到光參量振蕩器（ optical parametric oscillators (OPOs)）上來。這一光源的一個最主要的優(yōu)點就在于它可以產(chǎn)生兩個激光線，稱之為信號和惰輪。這些系統(tǒng)可以在較寬的波長范圍內(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5 m以上波長范圍進(jìn)行調(diào)制的能力。

傅里葉變換紅外光譜多組分氣體探測實驗

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)行泵浦的時候，就會產(chǎn)生相匹配的狀況，從而產(chǎn)生波長在5到8 m范圍的中紅外波長。

在最近，一個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)點在于它可以產(chǎn)生波長范圍為 5- 到12-m波長范圍的光。另外一個更具優(yōu)勢的優(yōu)點在于它可以被1-m波長的激光所泵浦。這一技術(shù)具有非常大的商業(yè)化的潛力，在于它可以實現(xiàn)高效率的摻鐿光纖在1.03-到 1.08-m 波長范圍內(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：易于識別的分子的特征穿過5- 到 12-m 波長的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了PPLN所能達(dá)到的范圍。OPGaP所產(chǎn)生的較長的中紅外波長的激光的引入可以成為有利的探測分子指紋區(qū)的強(qiáng)有力的競爭替代者

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量子級聯(lián)激光器，意味著信噪比也顯著的高，這對光譜學(xué)的測量來說也是一個非常重要的指標(biāo)。

應(yīng)用

OPGaP最顯著的優(yōu)點就在于它可以產(chǎn)生的波長范圍為 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現(xiàn)防區(qū)外探測 ，通過這一設(shè)備，大范圍的化學(xué)特征均可以實現(xiàn)定性和定量的探測，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。進(jìn)一步的在亞秒域 內(nèi)實現(xiàn)實性的刷新頻率。這一特征可以在多個相關(guān)的領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括藥物/能源/健康/安全以及國防等。

一個關(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)識別。安全和國防組織則表明不斷對FTIR在識別化學(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檢測患者而不需要直接的干預(yù)來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，可以在對血樣就行檢測之前就進(jìn)行探測。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)的費用。

在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用，一個比較廣泛的應(yīng)用FTIR就在藥物發(fā)展的高產(chǎn)出階段。當(dāng)從一個產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)另外一個產(chǎn)品的時候，確保制造工藝不會受到 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技術(shù)可以確保，目前的測試設(shè)備需要經(jīng)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O(shè)PGaP為基礎(chǔ)的激光源來檢測設(shè)備可以幫助我們識別多個化學(xué)特征，并潛在的節(jié)省時間和金錢。

最后，當(dāng)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(huán)境保護(hù)調(diào)節(jié)方案和探索新的技術(shù)和工藝來對大氣進(jìn)行更加有效的調(diào)控。日益增長的對環(huán)境質(zhì)量質(zhì)量探測的需求，意味著中紅外波長的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較長遠(yuǎn)的距離內(nèi)快速的探測和量化空氣中的污染物的探測能力。

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)位并獲得了英國愛丁堡皇家學(xué)會授予他加速了Chromacity公司成長的榮譽(yù)。

備注：Chromacity Lasers公司由英國在光子學(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)隊有著超過40年的超快和光纖激光器經(jīng)驗，已開發(fā)出從UV（400nm）到MIR（>6um）的波長可調(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.