中红外线 (MIR：Mid-infrared)充满了分子“指纹”信息，可被用来检测大气污染物以及癌细胞。

　　尽管目前有些激光已经在此领域有所作为，催生各种光谱学应用，但是他们的谱线宽度相对较窄，目前可检测的物质有限。

　　现在，德国和西班牙研究者开发了一套激光系统，其相位相干辐射（ phase-coherent emission）为6.8μm至16.4 μm，输出功率为0.1W。该激光系统谱线宽度够宽，功率够大，足够检测早期癌细胞的微妙迹象。

　　分子中红外光谱吸收区以其独特的原子结构和吸收规律，提供了识别及标识特异性甚至低集中度分子的有效手段。

　　激光辐射光谱和响应的分子指纹区域。图片来源：光子科学研究所（ICFO）

　　“癌症引起细胞内蛋白质结构和内容发生微小变化”，西班牙巴塞罗那光子科学研究所小组领导Dr. Jens Biegert表示，“光看几个纳米的范围，检测这种变化的可能性很小。但是结合大量的这种间隔进行对比，我们就可以清晰地捕捉到这种变化。”

　　这种新型激光系统通过差频发生技术(Difference frequency generation)激发中红外脉冲。由克尔透镜锁模(Kerr Lens ModeLocking(KLML)) Yb∶YAG薄片振荡器通过差频发生技术实现非线性压缩脉冲，从而驱动激光系统。其亮点是重复率达100MHz，脉冲持续时间为66 fs——持续时间如此之短以至于电磁场每脉冲只振荡两次。

　　图为研究者们研发发射中红外线超短脉冲的激光系统。这些脉冲可用来检测并追踪气态和液态介质中的分子。图片来源：Thorsten Naeser/德国慕尼黑大学。

　　“既然我们现在拥有高密度的致密源和相干的红外线，我们就有了检测分子感应器，并且也适用于成批生产。”慕尼黑大学项目领导Dr. Ioachim Pupeza表示。

　　慕尼黑大学和光子科学研究所的研究者希望利用中红外激光识别和量化呼出的空气中的疾病分子。科学家认为很多疾病，包括某些癌症类型的疾病，会从肺部呼出的空气中产生某种特别的分子。

　　“我们认为呼出气体中包含超过1000中不同分子种类。” 慕尼黑大学Dr. Alexander Apolonskiy表示。

　　然而，呼出气体中的分子生物标记非常之低，意味着诊断工具必须有能力检测十亿分之一密度下的分子。下一步科学家需要为该激光系统添加放大器来增强其亮度，提高灵敏度至万亿分之一。

　　检测中红外标记

　　该激光输出跨越超一倍频度。到目前为止，研究者说，这种宽频辐射只存在于大型同步光源中。

　　其他更加紧密的中红外光源，如量子级联激光器（QCL：quantum cascade lasers）拥有更窄的谱线宽度。把他们调节至感应波段非常耗时，而且在中红外不同部位结合多种量子级联激光器成本不允许。

　　同时，该激光的100MHz脉冲序列比最先进的频率梳更强劲百倍千倍以上。

　　然而，检测宽频中红外信号也有其自身的缺陷。检测器在此区域的信噪比低，除非用?液氮冷却才能提高信噪比。

　　在这种情况下，光电采样被证明是一个更好的选择。

　　“在中红外范围内，你需要同时具备一个宽频、物相稳定中红外脉冲和超短样品脉冲，难度有点大。”研究人员说。

　　利用宽频激光解决这个问题后，该研究团队现在可以利用光电采样来提取他们所需要的数据。

　　简而言之，整个过程为：中红外脉冲电磁场改变晶体双折射。这种改变可以通过观察近红外脉冲偏振如何改变，同时如何通过同一个晶体扩散而进行测量。最后，只有近红外是直接测量的。

　　“因此，近红外的低信噪比检测是一大优势，即使近红外激光获取在中红外有关频光谱分量的信息”，研究人员表示，“在有了电磁场之后，你只需要运行傅里叶变换来获取脉冲频谱。”