中紅外線 (MIR：Mid-infrared)充滿(mǎn)了分子“指紋”信息，可被用來(lái)檢測(cè)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(duì)較窄，目前可檢測(cè)的物質(zhì)有限。
現(xiàn)在，德國(guó)和西班牙研究者開(kāi)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(cè)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(shí)別及標(biāo)識(shí)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(lái)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(cè)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(duì)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(lái)檢測(cè)并追蹤氣態(tài)和液態(tài)介質(zhì)中的分子。圖片來(lái)源：Thorsten Naeser/德國(guó)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(cè)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(shí)別和量化呼出的空氣中的疾病分子。科學(xué)家認(rèn)為很多疾病，包括某些癌癥類(lèi)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(guò)1000中不同分子種類(lèi)。” 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(cè)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(lái)增強(qiáng)其亮度，提高靈敏度至萬(wàn)億分之一。
檢測(cè)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(shuō)，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(jí)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(jí)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(cè)寬頻中紅外信號(hào)也有其自身的缺陷。檢測(cè)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(shuō)。
利用寬頻激光解決這個(gè)問(wèn)題后，該研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以利用光電采樣來(lái)提取他們所需要的數(shù)據(jù)。
簡(jiǎn)而言之，整個(gè)過(guò)程為：中紅外脈沖電磁場(chǎng)改變晶體雙折射。這種改變可以通過(guò)觀察近紅外脈沖偏振如何改變，同時(shí)如何通過(guò)同一個(gè)晶體擴(kuò)散而進(jìn)行測(cè)量。最后，只有近紅外是直接測(cè)量的。
“因此，近紅外的低信噪比檢測(cè)是一大優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)之后，你只需要運(yùn)行傅里葉變換來(lái)獲取脈沖頻譜。”
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