麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，利用中紅外激光將開發(fā)的空氣環(huán)境中的分子區(qū)域轉(zhuǎn)變成帶電氣體或等離子體組成的發(fā)光的燈絲。這種新的方法可以使以很高的靈敏度來檢測范圍廣泛的化學(xué)品的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測成為可能。
這個新的系統(tǒng)利用中紅外超快脈沖激光系統(tǒng)來產(chǎn)生的發(fā)光燈絲，燈絲的顏色可以揭示不同分子的化學(xué)指紋。這個發(fā)現(xiàn)在本周的《Optica》雜志上進(jìn)行了報道，該文章的作者是麻省理工學(xué)院電子研究實驗室的主任研究員Kyung-Han Hong，以及其他七位來自麻省理工學(xué)院，紐約賓厄姆頓和德國漢堡的研究人員。
此圖描繪了紅外激光（左側(cè)紅色圓柱體）發(fā)射一束光束穿過大氣，產(chǎn)生電離化空氣分子燈絲（圖片中間部位的放大視圖所示的多色光束）的方法。這些長度可以達(dá)到數(shù)公里的燈絲有助于保持光束的集中度以在空氣中產(chǎn)生中紅外光（圖片右側(cè)的藍(lán)色云所示），通過用中紅外探測器（圖片底部所示）拾取這些中紅外光并進(jìn)行光譜分析可以揭示詳細(xì)的化學(xué)成分。
Hong解釋說，這種由波長位于電磁波譜近紅外部分的激光器產(chǎn)生的燈絲，由于其在激光測距和遙感等方面的良好應(yīng)用，已經(jīng)被廣泛研究。這種由高功率激光器產(chǎn)生的燈絲現(xiàn)象，可用來對抗激光束穿過空氣時通常發(fā)生的衍射效應(yīng)。當(dāng)功率水平達(dá)到特定點(diǎn)的時候，燈絲效應(yīng)就產(chǎn)生了，它們提供了一種保持激光束緊密聚焦的自引導(dǎo)通道。
但對于檢測各種各樣的生化化合物和空氣污染物來說，中紅外（mid-IR）波長比近紅外能夠提供更好的效果。然而，直到現(xiàn)在，研究人員在開放的空氣中產(chǎn)生中紅外燈絲的嘗試幾乎都沒有取得成功。
只有一個研究團(tuán)隊以前曾經(jīng)成功地在空氣中產(chǎn)生了中紅外激光燈絲，但其是在每秒約20個脈沖這樣慢得多的速率下完成的。而在這項新的工作中，其使用的速率為每秒鐘1000個脈沖，這是第一次達(dá)到了實際檢測工具所需的高速率，Hong說。
“人們想使用這種技術(shù)來檢測遠(yuǎn)距離例如幾公里遠(yuǎn)的化學(xué)物質(zhì)，”Hong說，但他們在實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)時遇到了很大的困難。這個團(tuán)隊成功的關(guān)鍵之一是使用了一個只有脈沖長度只有30飛秒（一飛秒=千萬億分之一秒）的高功率飛秒激光。他說，波長越長，其衍射效應(yīng)也越強(qiáng)，因此產(chǎn)生想要的燈絲效應(yīng)所需的激光峰值功率就越高。但是該團(tuán)隊所用的飛秒激光，加上所謂的參數(shù)放大器，為該任務(wù)提供了所需的功率。這種新的激光系統(tǒng)在過去的幾年里已經(jīng)被他們和漢堡的Franz X. Kaertner以及其他小組成員一起開發(fā)。Hong說，該裝置在中紅外波長產(chǎn)生了“世界最高的峰值功率水平之一”，其峰值功率達(dá)到了1000億瓦（GW）。
他說，要在這個中紅外波長處產(chǎn)生燈絲效應(yīng)至少需要45GW的功率，所以這個裝置很容易滿足要求，而該團(tuán)隊也已經(jīng)證明，它確實像預(yù)期的那樣產(chǎn)生了作用。這打開了一個從遠(yuǎn)處對空氣中各種化合物進(jìn)行檢測的潛在應(yīng)用。
使用光譜展寬的中紅外激光產(chǎn)生的燈絲效應(yīng)，通過檢測燈絲的確切顏色，“我們可以檢測出幾乎任何你想要的分子，”Hong說，包括各種生物有害物和污染物。在中紅外范圍內(nèi)，特定化學(xué)物質(zhì)的吸收光譜可以很容易被分析出來。
到目前為止，實驗還限制在實驗室內(nèi)的短距離上，但該團(tuán)隊認(rèn)為，隨著進(jìn)一步的開發(fā)，沒有理由相同的系統(tǒng)在更大的尺度上會不工作。“這只是一個原理證明的演示，”Hong說。
本研究“是在空氣中自我引導(dǎo)的超強(qiáng)中紅外激光脈沖最早的研究之一”亞利桑那大學(xué)光學(xué)副研究教授Pavel Polynkin說，他并沒有參與這項工作。“至于是否會有新的令人興奮的應(yīng)用，時間將會給出答案。”
“我認(rèn)為在超快激光界有一個共識，那就是在中紅外光譜范圍的探索將會成為超快激光科學(xué)的前沿領(lǐng)域，”Polynkin補(bǔ)充道。“強(qiáng)光大氣傳播領(lǐng)域向中紅外光譜范圍的擴(kuò)展肯定很有可能可以克服已經(jīng)研究得很多的與近紅外光譜范圍相關(guān)的局限，即在近紅外光譜上非常不穩(wěn)定的傳播動力學(xué)。作者開辟了一個新的強(qiáng)非線性光學(xué)領(lǐng)域。毫無疑問，將會有很多跟進(jìn)的研究。”
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