文/Gail Overton

雖然在過去的十年中，中紅外（mid-IR）激光器在技術(shù)方面獲得了持續(xù)發(fā)展，但是中紅外光纖和其他的支撐光學(xué)組件──對將中紅外能量傳輸?shù)焦ぷ鞅砻婊虮惶幚淼臉悠范�言至關(guān)重要──常常難以獲得。

為了確保其高光譜成像、光譜儀和氣體傳感系統(tǒng)免受中紅外光束傳輸不佳的困擾，美國OptoKnowledge Systems公司將羅格斯大學(xué)開發(fā)的技術(shù)轉(zhuǎn)移到了中紅外到長波長紅外（LWIR）光纖系列的生產(chǎn)中。

通過在毛細(xì)管內(nèi)壁沉積銀和碘化銀膜層，OptoKnowledge公司制作了多�？招荆�零背反射）光纖，其工作在2~14 μm波段，并提供工作波長大于5 μm的單模版本。光纖的內(nèi)孔直徑為200~1000 μm，長度相關(guān)損耗為4.0~0.1 dB/m，輸出發(fā)散半角為50~30 mrad，適應(yīng)5~100 W的功率水平。現(xiàn)在，研究人員正在證明這些中紅外光纖有助于各種各樣的光譜學(xué)應(yīng)用。

圖1：空芯中紅外光纖用于同位素分析的示意圖（a）�？梢愿鶕�(jù)特定應(yīng)用的波長需求定制傳感和傳輸光纖（b）。

痕量氣體傳​​感

意大利巴里大學(xué)的研究人員借助于OptoKnowledge公司的工作于5.1~10.5 μm的單模光纖，利用石英增強(qiáng)的光聲光譜型傳感器，并由單模光纖耦合量子級聯(lián)激光器（QCL）激發(fā)，演示了探測萬億分之一量級的六氟化硫（SF₆）。^[1]單�？招竟饫w用于傳輸探測QCL光束、并改善光束質(zhì)量；相比于使用針孔相，顯然具有更高的信噪比（SNR）。

燃燒診斷

斯坦福大學(xué)的研究人員正在通過中紅外吸收光譜研究非侵入式燃燒診斷。^[2]空芯光纖將光束從遠(yuǎn)程位置傳輸?shù)綈毫印⒏哒駝拥沫h(huán)境中，例如，超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室。在一組實驗中，OptoKnowledge公司生產(chǎn)了一款針對應(yīng)用定制的雙光纖探頭，在普通接頭中傳輸波長為4~5 μm之間的兩個獨立激光源的輸出光。

血糖監(jiān)測

Sabbir Liakat在新澤西州的mid-Infrared Technologies for Health and the Environment（MIRTHE）小組工作，他的研究團(tuán)隊正在研發(fā)無創(chuàng)血糖監(jiān)測儀器，其使用中紅外中空芯光纖來傳輸探測激光束并收集反射信號。^[3]光纖──已經(jīng)針對8~10 μm范圍的透射進(jìn)行了優(yōu)化鍍膜──使得激光源能夠位于遠(yuǎn)離探針針尖的位置，并通過減少在患者身上進(jìn)行測量時固有的振動效應(yīng)來降低信噪比。

同位素分析

美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）已經(jīng)開發(fā)出了一種同位素分析系統(tǒng)，其采用空芯光纖作為約束樣品的氣池，并將探測激光從QCL源引導(dǎo)至紅外探測器（見圖1）。^[4]這種毛細(xì)管吸收光譜儀（CAS），在樣品以及可調(diào)諧的探測激光之間具有接近100%的重疊（光束幾乎與樣品100%的面積相互作用，而其他方案中光束僅橫切樣品的一部分），用于對極小的樣品體積進(jìn)行高精度分析。

OptoKnowledge公司正在努力將這種技術(shù)轉(zhuǎn)移到工業(yè)界，并發(fā)展完整的系統(tǒng)。

“中紅外光譜是一項極其強(qiáng)大的技術(shù)，它能夠利用不同物種的獨特分子指紋，應(yīng)用范圍從測量人體呼吸的生物標(biāo)記物，到尋找火星上存在過生命的證據(jù)，” OptoKnowledge公司首席科學(xué)家Jason Kriesel說，“我們的空芯光纖正提供新的工具，以改善這類系統(tǒng)的實用性和性能�，F(xiàn)在我們正努力將該技術(shù)推向多個方向，例如改善單模功能、增加透過率，以及延伸我們目前中紅外光纖技術(shù)的波長范圍，同時也為太赫茲頻率激光器開發(fā)新的光纖結(jié)構(gòu)。”

參考文獻(xiàn)

1. A. Sampaolo et al., Opt. Express, 23, 1, 195–204 (2015).

2. R.M. Spearrin et al., "mid-infrared absorption sensor for measurements of CO and CO₂ in propulsion flows," 52nd AIAA Aerospace Sciences Meeting, National Harbor, MD (Jan. 2014).

3. S. Liakat et al., Biomed. Opt. Express, 5, 7, 2397–2404 (2014).

4. J. F. Kelly, R. L. Sams, T. A. Blake, and J. M. Kriesel, "Further developments of capillary absorption spectrometers using small hollow-waveguide fibers," Proc. SPIE, 8993, Quantum Sensing and Nanophotonic Devices XI, San Francis