长三角G60激光联盟导读

敏感的动物鼻子可以嗅出环境空气中的微量颗粒，如挥发性有机化合物。另一方面，人类正在为此目的开发创新技术，如光谱学。这使用激光来检测气体的分子组成。它为动物鼻子根本无法感知的物质提供了超越这些“嗅觉”成功的可能性。

被动光学谐振器中激光脉冲（白色）和分子响应（红色）的增强。来源：Christian Hackenberger

今天，光谱学的“嗅觉力量”还没有开发出它的潜力。它背后的原理是，如果分子被激光照射，它们开始有特征地振动，并发出光。然而，在低浓度下，这种排放是非常微弱的。由Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) attoworld团队的Ioachim Pupeza博士和Max Planck量子光学研究所(MPQ)领导的一组科学家，与英属哥伦比亚大学和the Leibniz Institute for Photonic Technologies in Jena的科学家合作，现在正在展示一种方法来放大激发后的分子辐射，显著改善分子激光光谱学的“嗅觉”。他们的研究发表在《自然光子学》杂志上。

当音乐家拨动吉他弦时，它开始振动并发出具有乐器音高、音色和调制特性的音调。当气体分子被超短激光脉冲“击中”时，也会发生同样的情况：它吸收了激光脉冲的一些能量。它的原子开始振动。分子发出的不是声波，而是可以通过光谱检测到的特征光学波形。该波形包含有关气体分子组成的信息。不幸的是，这种“分子音乐”非常温和。这是因为脉冲中包含的能量只有很小的一部分被转换成包含这些有价值信息的缓慢衰减的光波。

概念和实验执行。

时间重叠激光脉冲

研究人员现已找到一种方法，在所谓的分子指纹光谱区域放大分子对重复超短激光脉冲的反应。在指纹光谱区域，有机分子具有其特征共振。为了做到这一点，物理学家将脉冲发送到充满气体的光学谐振器中。在谐振器中，激光脉冲束通过几个反射镜被引导回其自身，从而脉冲开始在时间上与它们的前辈和后辈重叠。这放大了脉冲和分子响应。attoworld激光物理学家首次从腔中耦合出这些增强分子响应的光学波形，并用场分辨光谱对其进行采样。

在这成为可能之前，必须克服一些挑战。“到目前为止，无源光学谐振器只能覆盖不到中心光学频率20%的带宽，并且大多在近红外波长下工作，”该研究的主要作者之一Philipp Sulzer解释说。

中红外光谱区fsEC的表征。

该研究的另一位主要作者Maximilian Högner补充道：“然而，为了覆盖中红外指纹范围的很大一部分，我们必须重新考虑可以使用哪些光学元件和锁定机制来构建腔体。此外，场分辨光谱的超短脉冲在通过谐振器的一个轨道期间不得改变其波形。”最后，激光物理学家发现了一种由四个镀金反射镜、湿度控制空气和楔形金刚石板组成的配置，以将光耦合进和耦合出谐振器。他们的方法允许将脉冲激发后的分子响应中包含的能量提高500倍以上。

增加可靠检测疾病的机会

“新的测量装置将我们先前在增强腔方面的工作与我们在场分辨光谱方面的专业知识结合起来。结果为灵敏度为1到1万亿粒子的宽带气体光谱开辟了前景。同时，由于气相中的吸收线相对较窄，该技术为复杂气体混合物提供了很高的潜力。”Ioachim Pupeza解释说：“我们的新方法增加了未来通过人类呼吸可靠检测疾病的机会，从而提供了新的、无创的监测治疗方法。”

fsEC反射端口记录的EOS信号。

来源：Cavity-enhanced field-resolved spectroscopy, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01057-0