麻省理工学院和其他地方的研究人员发现了一种新的方法，利用中红外激光将开发的空气环境中的分子区域转变成带电气体或等离子体组成的发光的灯丝。这种新的方法可以使以很高的灵敏度来检测范围广泛的化学品的远程环境监测成为可能。
这个新的系统利用中红外超快脉冲激光系统来产生的发光灯丝，灯丝的颜色可以揭示不同分子的化学指纹。这个发现在本周的《Optica》杂志上进行了报道，该文章的作者是麻省理工学院电子研究实验室的主任研究员Kyung-Han Hong，以及其他七位来自麻省理工学院，纽约宾厄姆顿和德国汉堡的研究人员。
此图描绘了红外激光(左侧红色圆柱体)发射一束光束穿过大气，产生电离化空气分子灯丝(图片中间部位的放大视图所示的多色光束)的方法。这些长度可以达到数公里的灯丝有助于保持光束的集中度以在空气中产生中红外光(图片右侧的蓝色云所示)，通过用中红外探测器(图片底部所示)拾取这些中红外光并进行光谱分析可以揭示详细的化学成分。
Hong解释说，这种由波长位于电磁波谱近红外部分的激光器产生的灯丝，由于其在激光测距和遥感等方面的良好应用，已经被广泛研究。这种由高功率激光器产生的灯丝现象，可用来对抗激光束穿过空气时通常发生的衍射效应。当功率水平达到特定点的时候，灯丝效应就产生了，它们提供了一种保持激光束紧密聚焦的自引导通道。
但对于检测各种各样的生化化合物和空气污染物来说，中红外(mid-IR)波长比近红外能够提供更好的效果。然而，直到现在，研究人员在开放的空气中产生中红外灯丝的尝试几乎都没有取得成功。
只有一个研究团队以前曾经成功地在空气中产生了中红外激光灯丝，但其是在每秒约20个脉冲这样慢得多的速率下完成的。而在这项新的工作中，其使用的速率为每秒钟1000个脉冲，这是第一次达到了实际检测工具所需的高速率，Hong说。
“人们想使用这种技术来检测远距离例如几公里远的化学物质，”Hong说，但他们在实现这样的系统时遇到了很大的困难。这个团队成功的关键之一是使用了一个只有脉冲长度只有30飞秒(一飞秒=千万亿分之一秒)的高功率飞秒激光。他说，波长越长，其衍射效应也越强，因此产生想要的灯丝效应所需的激光峰值功率就越高。但是该团队所用的飞秒激光，加上所谓的参数放大器，为该任务提供了所需的功率。这种新的激光系统在过去的几年里已经被他们和汉堡的FranzX.Kaertner以及其他小组成员一起开发。Hong说，该装置在中红外波长产生了“世界最高的峰值功率水平之一”，其峰值功率达到了1000亿瓦(GW)。
他说，要在这个中红外波长处产生灯丝效应至少需要45GW的功率，所以这个装置很容易满足要求，而该团队也已经证明，它确实像预期的那样产生了作用。这打开了一个从远处对空气中各种化合物进行检测的潜在应用。
使用光谱展宽的中红外激光产生的灯丝效应，通过检测灯丝的确切颜色，“我们可以检测出几乎任何你想要的分子，”Hong说，包括各种生物有害物和污染物。在中红外范围内，特定化学物质的吸收光谱可以很容易被分析出来。
到目前为止，实验还限制在实验室内的短距离上，但该团队认为，随着进一步的开发，没有理由相同的系统在更大的尺度上会不工作。“这只是一个原理证明的演示，”Hong说。
本研究“是在空气中自我引导的超强中红外激光脉冲最早的研究之一”亚利桑那大学光学副研究教授Pavel Polynkin说，他并没有参与这项工作。“至于是否会有新的令人兴奋的应用，时间将会给出答案。”
“我认为在超快激光界有一个共识，那就是在中红外光谱范围的探索将会成为超快激光科学的前沿领域，”Polynkin补充道。“强光大气传播领域向中红外光谱范围的扩展肯定很有可能可以克服已经研究得很多的与近红外光谱范围相关的局限，即在近红外光谱上非常不稳定的传播动力学。作者开辟了一个新的强非线性光学领域。毫无疑问，将会有很多跟进的研究。”
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