中紅外輻射通常定義為波長(zhǎng)處于2.5-25μm（盡管定義會(huì)發(fā)生變化）的電磁波，可用于檢測(cè)，鑒定和成像分子，從而具有廣泛的應(yīng)用。
1）應(yīng)用：氣體光譜（TDLAS）；環(huán)境監(jiān)測(cè)；生物醫(yī)學(xué)；納米成像
2）光源
3）驅(qū)動(dòng)器
4）中紅外探測(cè)器
5）中紅外光學(xué)器件
6）有用工具的鏈接
分子由兩個(gè)或多個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合而成，分子除了轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)外，分子內(nèi)原子之間存在彎曲、伸縮、剪切、扭曲和搖擺等振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此分子可以以不同的激發(fā)態(tài)形式存在。
通過(guò)特定的官能團(tuán)，所有這些能態(tài)都可用于識(shí)別各種材料。為了探測(cè)這些能態(tài)，可以在振動(dòng)光譜技術(shù)中使用紅外光，例如近紅外，拉曼和中紅外。由于中紅外光與基頻振動(dòng)相互作用，因此提供了更強(qiáng)的光譜特性和更多的識(shí)別特征。
共價(jià)鍵的典型紅外吸收位于600-4000cm-1。（在光譜學(xué)中，通常以厘米的倒數(shù)，即波數(shù)來(lái)表示躍遷頻率。將該量乘以光速（c）得到頻率，單位為赫茲；因此1 cm-1約為30 GHz）。
下圖顯示了各種類(lèi)型的化學(xué)鍵通常吸收的光譜區(qū)域。例如，如果在2200-2400 cm-1附近出現(xiàn)一條尖銳的吸收帶，則表明可能存在C-N或C-C三鍵。
范圍從500到1500cm-1的光譜區(qū)域被稱(chēng)為“指紋區(qū)域”或“光譜指紋”。這是一個(gè)復(fù)雜的光譜區(qū)域，有大量重疊的譜帶。
由于分子具有不同的官能團(tuán)，因此可以使用中紅外光譜識(shí)別分子并表征其結(jié)構(gòu)。由于混合物的中紅外光譜是各組分的光譜疊加而成的，因此依照光譜特征可以測(cè)定混合物中各組分的含量。
氣體光譜
可調(diào)二極管激光光譜技術(shù)（TDLAS）是一種非常強(qiáng)大的分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)ppm甚至ppb量級(jí)氣體濃度的高選擇性和高靈敏度測(cè)量。它允許進(jìn)行原位非接觸式測(cè)量，這些測(cè)量具有高選擇性和較低的成本。
這些氣體常用于能源發(fā)電，石油和天然氣行業(yè)，例如火力電廠氨氣分析，天然氣管道和乙烯生產(chǎn)中的質(zhì)量控制，也用于有害氣體的泄漏控制和過(guò)程優(yōu)化。
在世界范圍內(nèi)已經(jīng)實(shí)施了減少溫室氣體排放的環(huán)境政策。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)的資料，由于人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的排放占總二氧化碳排放量的四分之三以上，這主要是用于能源生產(chǎn)、運(yùn)輸和制造的化石燃料燃燒引起的。
結(jié)合遙感技術(shù)，TDLAS被用于應(yīng)對(duì)氣候變化，測(cè)量污染物和溫室氣體，例如甲烷(CH4)，氧化亞氮(N2O)，氨氣(NH3)，二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)等氣體的排放。甲烷和氧化亞氮是地球大氣中重要的兩種痕量溫室氣體。在很大程度上，甲烷和氧化亞氮均加速了溫室效應(yīng)。在100年時(shí)間尺度上，甲烷對(duì)大氣的加熱潛力比二氧化碳高30倍之多，而最新研究顯示，氧化亞氮的溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的280倍！此外，氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)等煙氣會(huì)反應(yīng)造成酸雨；而作為空氣中唯一的堿性氣體——氨氣，會(huì)與酸根離子結(jié)合形成銨鹽，而這正是二次氣溶膠和霧霾的重要前體物。隨著技術(shù)的進(jìn)步，以往精度較低的近紅外TDLAS技術(shù)，正逐漸被中紅外TDLAS技術(shù)所取代，使得監(jiān)測(cè)上述痕量氣體的變得可行。因此，世界各國(guó)正采取措施，對(duì)這些氣體制定新的排放標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)法規(guī)。
其他應(yīng)用包括通過(guò)作業(yè)環(huán)境測(cè)定工作場(chǎng)所的健康和安全。自19世紀(jì)初以來(lái)，甲醛氣體被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品和工業(yè)產(chǎn)品。目前甲醛年產(chǎn)量為2100萬(wàn)噸，大約50％的甲醛被加工成壓制木板中的粘合劑。2004年，國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)將甲醛歸類(lèi)為致癌物質(zhì)。從那時(shí)起，在生產(chǎn)過(guò)程以及成品中嚴(yán)格控制甲醛含量。
中紅外技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中有許多應(yīng)用，主要介紹以下幾點(diǎn)：
通過(guò)酰胺I譜帶的變化確定α螺旋和β折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)。
使用中紅外液相色譜儀ChemDetect的透射測(cè)量模式，可以實(shí)現(xiàn)水溶液和溶劑型溶液的長(zhǎng)光程（> 100微米）測(cè)量。
ChemDetect是一款緊湊，智能和易于使用的紅外光譜儀，專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)HPLC液柱中的低濃度（ppm）分析物。
無(wú)標(biāo)簽數(shù)字病理學(xué)
直到最近，通過(guò)使用IHC染色劑或熒光標(biāo)簽進(jìn)行化學(xué)染色或標(biāo)記是研究人員或病理學(xué)家可視化組織切片中存在診斷標(biāo)記的唯一可行選擇。此外，使用標(biāo)簽限制了在樣品中發(fā)現(xiàn)新生物標(biāo)記的可能性。而魯爾大學(xué)(RuhrUniversity)蛋白質(zhì)診斷中心的Kluass Gerwent教授，將基于EC-QCL的高光譜顯微分析儀用于自動(dòng)癌癥分類(lèi)，過(guò)程無(wú)需任何生物標(biāo)記。
基于相互作用力的紅外顯微技術(shù)可將納米級(jí)紅外成像和光譜學(xué)控制在衍射極限以下。光熱誘導(dǎo)共振（PTIR）或光熱膨脹技術(shù)分別通過(guò)檢測(cè)樣品中激光誘導(dǎo)的接觸共振或體積膨脹來(lái)收集紅外吸收響應(yīng)。它們被統(tǒng)稱(chēng)為AFM-IR技術(shù)。
掃描探針顯微鏡與紅外線照射的結(jié)合提供了在中紅外波段突破衍射極限的方法。這些技術(shù)之一是紅外散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（s-SNOM），它使用由原子力顯微鏡（AFM）定位的尖銳金屬涂層探針來(lái)局部增強(qiáng)光場(chǎng)并激發(fā)或極化樣品中聲子。隨后，由尖銳探針對(duì)由樣品產(chǎn)生或衰減的高空間頻率光學(xué)近場(chǎng)進(jìn)行局部探測(cè)，因此提供了空間對(duì)比度優(yōu)于傳播光學(xué)場(chǎng)的衍射極限。
納米級(jí)成像被稱(chēng)為“峰值力紅外（PFIR）顯微鏡”技術(shù)。利用PFIR可以實(shí)現(xiàn)10 nm空間分辨率的化學(xué)成像，寬帶紅外光譜收集以及機(jī)械制圖。
圖片來(lái)源：通過(guò)峰值力紅外顯微鏡同時(shí)進(jìn)行納米級(jí)化學(xué)和機(jī)械成像
4、 光源：
海爾欣與國(guó)際知名QCL和MCT芯片廠商合作，研發(fā)用于工業(yè)領(lǐng)域過(guò)程監(jiān)控和氣體傳感器件。通常在科研領(lǐng)域，終端用戶(hù)會(huì)選擇搭建自己的氣體傳感設(shè)備，使用自己采購(gòu)的激光器，探測(cè)器，驅(qū)動(dòng)器，安裝座和信號(hào)處理模塊，但是如果您處于開(kāi)發(fā)或研究的初期階段，我們會(huì)提供一系列激光安裝座和驅(qū)動(dòng)器，長(zhǎng)光程氣體池,MCT探器,TDLAS專(zhuān)用鎖相模塊。我們很樂(lè)意為您提供建議。
海爾欣以瑞士Alpes公司，日本住友電工，美國(guó)Thorlabs和Adtech Photonics公司的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器（DFB-QCL）為基礎(chǔ)元器件，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的封裝和準(zhǔn)直工藝，整合成一整套量子級(jí)聯(lián)準(zhǔn)直激光發(fā)射模塊。無(wú)論您需要連續(xù)輸出，脈沖輸出，定制中心波長(zhǎng)，寬調(diào)諧，線寬<5 MHz，輸出功率達(dá)到百毫瓦級(jí)，還是高性?xún)r(jià)比的工業(yè)批量器件，請(qǐng)與我們聯(lián)系，我們將幫您選擇3到13 μm及以上的中紅外激光器。激光發(fā)射器的主要產(chǎn)品為：
QC-QubeTM迷你全功能量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射單元（具備氣密，溫控，散熱，準(zhǔn)直功能的中紅外激光器）
HPQCL-QTM標(biāo)準(zhǔn)中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器（全功能且含共軸紅光，方便用戶(hù)觀察及調(diào)光）
HPQCL-HTM工業(yè)級(jí)HHL封裝量子級(jí)聯(lián)激光器（高性?xún)r(jià)比，高可靠）
QC-QubeTM迷你QCL發(fā)射
LIV曲線以及準(zhǔn)直光斑質(zhì)量
QC750-TouchTM是集電流驅(qū)動(dòng)，TEC溫控一體化的觸屏激光驅(qū)動(dòng)器，具備全自動(dòng)一鍵啟動(dòng)功能，從開(kāi)箱到出光使用非常方便。其內(nèi)置硬件電流鉗制和智能軟件保護(hù)功能，防止貴重的QCL激光器因過(guò)流和過(guò)溫導(dǎo)致?lián)p壞。
驅(qū)動(dòng)器的電流噪聲密度可以低至1.0nA/Hz1/2，非常適合用于超高精度中紅外光譜分析。
QC750-TouchTM溫控電流一體化QCL驅(qū)動(dòng)
QC750-TouchTM界面視圖
不同于近紅外常見(jiàn)的Si和InGaAs探測(cè)器，用于中紅外光譜分析的大多數(shù)是HgCdTe（碲鎘汞，MCT）材料制備的單元紅外探測(cè)器。它是一種高靈敏度的光電探測(cè)器，這種材料對(duì)2~12 μm的中紅外光譜波段光波最敏感，缺點(diǎn)是其光電流響應(yīng)率R隨溫度變化非常敏感，溫度越高，響應(yīng)率越低。因此，該型探測(cè)器一般需要結(jié)合液氮或TEC半導(dǎo)體制冷器在低溫下使用。海爾欣與波蘭VIGO公司合作，針對(duì)其多級(jí)制冷MCT芯片，自主開(kāi)發(fā)了一套運(yùn)放和 TEC高度集成的中紅外探測(cè)器模塊HPPD系列。HPPD系列通過(guò)反饋電路，將MCT元件的工作溫度控制在負(fù)四十?dāng)z氏度，從而將溫度對(duì)輸出信號(hào)的影響減小。探測(cè)器外殼采用全鋁合金材料，即可起到屏蔽環(huán)境電磁干擾，也具備良好的散熱性能。針對(duì)TDLAS的不同客戶(hù)需求，可以是直流或交流耦合輸出。直流輸出適合初次調(diào)光，易于觀察系統(tǒng)接收到的激光器的光功率大小，而交流輸出適合于大功率背景下的交流小信號(hào)提取，防止探測(cè)器出現(xiàn)飽和。
HPPD-M-B型前置放大制冷一體型MCT中紅外探測(cè)器
常見(jiàn)的中紅外光學(xué)器件產(chǎn)品及信息可以從以下網(wǎng)站獲?。?
Herriott長(zhǎng)光程氣體吸收池
http://www.uishuku.cn/index.php?c=article&id=879
中紅外隔離器
https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8225
https://innpho.com/product/mid-ir-isolators/
紅外偏振器
https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=752
https://innpho.com/product/wideband-ir-polarizer-2-micrometer-12-micrometer/
光束擴(kuò)展器
https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=12400/span>
https://innpho.com/product/flat-top-beam-expander/
光纖耦合鏡，準(zhǔn)直鏡
https://innpho.com/product/fiber-optic-coupling-lenses/
https://innpho.com/product/mid-ir-fiber-collimators/
https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=4093
中紅外聚焦物鏡
https://innpho.com/product/mid-ir-focusing-objectives-2-micrometer-to-12-micrometer/
https://www.thorlabschina.cn/search/thorsearch.cfm?search=MIR+focusing+lens
紅外光纖
https://innpho.com/product/ir-fiber-cables-2/
https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=7840
有用的工具:
https://www.cfa.harvard.edu/hitran/
– 高分辨透射率譜線數(shù)據(jù)庫(kù)
http://spectraplot.com/absorption
– 波長(zhǎng)搜索引擎
8、 參考資料：
[1].本文翻譯并改編自
https://www.linkedin.com/pulse/why-mid-ir-light-important-peter-collins/
原文作者Peter Collins
[2].https://www.thorlabschina.cn/
海爾欣光電(HealthyPhoton Tech. Co.)是專(zhuān)注于中紅外波段精密光電組件和光譜儀器的設(shè)計(jì)商和制造商，支持量子級(jí)聯(lián)激光器應(yīng)用以及其他波長(zhǎng)組件科研應(yīng)用。歡迎在線瀏覽我們的產(chǎn)品，或點(diǎn)擊產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)的“文檔下載”獲取我們產(chǎn)品的PDF文檔。
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