麻省理工學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品的遠程環(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指紋。這個發(fā)現(xiàn)在本周的《Optica》雜志上進行了報道，該文章的作者是麻省理工學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院，紐約賓厄姆頓和德國漢堡的研究人員。

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。當功率水平達到特定點的時候，燈絲效應就產(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)來檢測遠距離例如幾公里遠的化學物質(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，其衍射效應也越強，因此產(chǎn)生想要的燈絲效應所需的激光峰值功率就越高。但是該團隊所用的飛秒激光，加上所謂的參數(shù)放大器，為該任務提供了所需的功率。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)生燈絲效應至少需要45GW的功率，所以這個裝置很容易滿足要求，而該團隊也已經(jīng)證明，它確實像預期的那樣產(chǎn)生了作用。這打開了一個從遠處對空氣中各種化合物進行檢測的潛在應用。

使用光譜展寬的中紅外激光產(chǎn)生的燈絲效應，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，但該團隊認為，隨著進一步的開發(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的超強中紅外激光脈沖最早的研究之一”亞利桑那大學光學副研究教授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用，時間將會給出答案。”

“我認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的前沿領(lǐng)域，”Polynkin補充道。“強光大氣傳播領(lǐng)域向中紅外光譜范圍的擴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。作者開辟了一個新的強非線性光學領(lǐng)域。毫無疑問，將會有很多跟進的研究。”