文/Gail Overton

虽然在过去的十年中，中红外（mid-IR）激光器在技术方面获得了持续发展，但是中红外光纤和其他的支撑光学组件──对将中红外能量传输到工作表面或被处理的样品而言至关重要──常常难以获得。

为了确保其高光谱成像、光谱仪和气体传感系统免受中红外光束传输不佳的困扰，美国OptoKnowledge Systems公司将罗格斯大学开发的技术转移到了中红外到长波长红外（LWIR）光纤系列的生产中。

通过在毛细管内壁沉积银和碘化银膜层，OptoKnowledge公司制作了多模空芯（零背反射）光纤，其工作在2~14 μm波段，并提供工作波长大于5 μm的单模版本。光纤的内孔直径为200~1000 μm，长度相关损耗为4.0~0.1 dB/m，输出发散半角为50~30 mrad，适应5~100 W的功率水平。现在，研究人员正在证明这些中红外光纤有助于各种各样的光谱学应用。

图1：空芯中红外光纤用于同位素分析的示意图（a）。可以根据特定应用的波长需求定制传感和传输光纤（b）。

痕量气体传​​感

意大利巴里大学的研究人员借助于OptoKnowledge公司的工作于5.1~10.5 μm的单模光纤，利用石英增强的光声光谱型传感器，并由单模光纤耦合量子级联激光器（QCL）激发，演示了探测万亿分之一量级的六氟化硫（SF₆）。^[1]单模空芯光纤用于传输探测QCL光束、并改善光束质量；相比于使用针孔相，显然具有更高的信噪比（SNR）。

燃烧诊断

斯坦福大学的研究人员正在通过中红外吸收光谱研究非侵入式燃烧诊断。^[2]空芯光纤将光束从远程位置传输到恶劣、高振动的环境中，例如，超燃冲压发动机燃烧室。在一组实验中，OptoKnowledge公司生产了一款针对应用定制的双光纤探头，在普通接头中传输波长为4~5 μm之间的两个独立激光源的输出光。

血糖监测

Sabbir Liakat在新泽西州的mid-Infrared Technologies for Health and the Environment（MIRTHE）小组工作，他的研究团队正在研发无创血糖监测仪器，其使用中红外中空芯光纤来传输探测激光束并收集反射信号。^[3]光纤──已经针对8~10 μm范围的透射进行了优化镀膜──使得激光源能够位于远离探针针尖的位置，并通过减少在患者身上进行测量时固有的振动效应来降低信噪比。

同位素分析

美国西北太平洋国家实验室（PNNL）已经开发出了一种同位素分析系统，其采用空芯光纤作为约束样品的气池，并将探测激光从QCL源引导至红外探测器（见图1）。^[4]这种毛细管吸收光谱仪（CAS），在样品以及可调谐的探测激光之间具有接近100%的重叠（光束几乎与样品100%的面积相互作用，而其他方案中光束仅横切样品的一部分），用于对极小的样品体积进行高精度分析。

OptoKnowledge公司正在努力将这种技术转移到工业界，并发展完整的系统。

“中红外光谱是一项极其强大的技术，它能够利用不同物种的独特分子指纹，应用范围从测量人体呼吸的生物标记物，到寻找火星上存在过生命的证据，” OptoKnowledge公司首席科学家Jason Kriesel说，“我们的空芯光纤正提供新的工具，以改善这类系统的实用性和性能。现在我们正努力将该技术推向多个方向，例如改善单模功能、增加透过率，以及延伸我们目前中红外光纤技术的波长范围，同时也为太赫兹频率激光器开发新的光纤结构。”

参考文献

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