中紅外輻射通常定義為波長處于2.5-25 μm（盡管定義會發(fā)生變化）的電磁波，可用于檢測，鑒定和成像分子，從而具有廣泛的應用。

本文包含以下內(nèi)容

1. 應用：氣體光譜（TDLAS）；環(huán)境監(jiān)測；生物醫(yī)學；納米成像
2. 光源
3. 驅(qū)動器
4. 中紅外探測器
5. 中紅外光學器件
6. 有用工具的鏈接

背景

     分子由兩個或多個原子通過化學鍵結合而成，分子除了轉(zhuǎn)動運動外，分子內(nèi)原子之間存在彎曲、伸縮、剪切、扭曲和搖擺等振動運動，因此分子可以以不同的激發(fā)態(tài)形式存在。

     通過特定的官能團，所有這些能態(tài)都可用于識別各種材料。為了探測這些能態(tài)，可以在振動光譜技術中使用紅外光，例如近紅外，拉曼和中紅外。由于中紅外光與基頻振動相互作用，因此提供了更強的光譜特性和更多的識別特征。

    共價鍵的典型紅外吸收位于600 - 4000 cm^-1。（在光譜學中，通常以厘米的倒數(shù)，即波數(shù)來表示躍遷頻率。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）

      下圖顯示了各種類型的化學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1500 cm^-1的光譜區(qū)域被稱為“指紋區(qū)域”或“光譜指紋”，。這是一個復雜的光譜區(qū)域，有大量重疊的譜帶。

       由于分子具有不同的官能團，因此可以使用中紅外光譜識別分子并表征其結構。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定混合物中各組分的含量。

應用

氣體光譜

       可調(diào)二極管激光光譜技術（TDLAS）是一種非常強大的分析技術，可實現(xiàn)ppm甚至ppb量級氣體濃度的高選擇性和高靈敏度測量。它允許進行原位非接觸式測量，這些測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程優(yōu)化。

環(huán)境監(jiān)測

        在世界范圍內(nèi)已經(jīng)實施了減少溫室氣體排放的環(huán)境政策。根據(jù)美國環(huán)境保護署(EPA)的資料，由于人類活動帶來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)、運輸和制造的化石燃料燃燒引起的。 

        結合遙感技術，TDLAS被用于應對氣候變化，測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。在100年時間尺度上，甲烷對大氣的加熱潛力比二氧化碳高30倍之多，而研究顯示，氧化亞氮的溫室氣體效應是二氧化碳的280倍！此外，氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)等煙氣會反應造成酸雨；而作為空氣中的堿性氣體——氨氣，會與酸根離子結合形成銨鹽，而這正是二次氣溶膠和霧霾的重要前體物。隨著技術的進步，以往精度較低的近紅外TDLAS技術，正逐漸被中紅外TDLAS技術所取代，使得監(jiān)測上述痕量氣體的變得可行。因此，世界各國正采取措施，對這些氣體制定新的排放標準和監(jiān)測法規(guī)。

       其他應用包括通過作業(yè)環(huán)境測定工作場所的健康和安全。自19世紀初以來，甲醛氣體被廣泛應用于消費品和工業(yè)產(chǎn)品。目前甲醛年產(chǎn)量為2100萬噸，大約50％的甲醛被加工成壓制木板中的粘合劑。2004年，癌癥研究機構(IARC)將甲醛歸類為致癌物質(zhì)。從那時起，在生產(chǎn)過程以及成品中嚴格控制甲醛含量。

生物醫(yī)學

       中紅外技術在生物醫(yī)學中有許多應用，主要介紹以下幾點：

蛋白質(zhì)分析：通過酰胺I譜帶的變化確定α螺旋和β折疊的二級結構。

液相色譜/生物反應器監(jiān)控：

       使用中紅外液相色譜儀ChemDetect的透射測量模式，可以實現(xiàn)水溶液和溶劑型溶液的長光程（> 100微米）測量。

        ChemDetect是一款緊湊，智能和易于使用的紅外光譜儀，專門用于檢測標準HPLC液柱中的低濃度（ppm）分析物。

無標簽數(shù)字病理學：

        直到近，通過使用IHC染色劑或熒光標簽進行化學染色或標記是研究人員或病理學家可視化組織切片中存在診斷標記的可行選擇。此外，使用標簽限制了在樣品中發(fā)現(xiàn)新生物標記的可能性。而魯爾大學(Ruhr University)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癌癥分類，過程無需任何生物標記。

納米成像

        基于相互作用力的紅外顯微技術可將納米級紅外成像和光譜學控制在衍射極限以下。光熱誘導共振（PTIR）或光熱膨脹技術分別通過檢測樣品中激光誘導的接觸共振或體積膨脹來收集紅外吸收響應。它們被統(tǒng)稱為AFM-IR技術。

       掃描探針顯微鏡與紅外線照射的結合提供了在中紅外波段突破衍射極限的方法。這些技術之一是紅外散射型掃描近場光學顯微鏡（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局部增強光場并激發(fā)或極化樣品中聲子。隨后，由尖銳探針對由樣品產(chǎn)生或衰減的高空間頻率光學近場進行局部探測，因此提供了空間對比度優(yōu)于傳播光學場的衍射極限。

     納米級成像被稱為“峰值力紅外（PFIR）顯微鏡”技術。利用PFIR可以實現(xiàn)10 nm空間分辨率的化學成像，寬帶紅外光譜收集以及機械制圖。

     圖片來源：通過峰值力紅外顯微鏡同時進行納米級化學和機械成像

光源

       海爾欣與QCL和MCT芯片廠商合作，研發(fā)用于工業(yè)領域過程監(jiān)控和氣體傳感器件。通常在科研領域，終端用戶會選擇搭建自己的氣體傳感設備，使用自己采購的激光器，探測器，驅(qū)動器，安裝座和信號處理模塊，但是如果您處于開發(fā)或研究的初期階段，我們會提供一系列激光安裝座和驅(qū)動器，長光程氣體池，MCT探測器，,TDLAS鎖相模塊。我們很樂意為您提供建議。

        海爾欣以瑞士Alpes公司，日本住友電工，美國Thorlabs和Adtech Photonics公司的分布反饋量子級聯(lián)激光器（DFB-QCL）為基礎元器件，通過封裝和準直工藝，整合成一整套量子級聯(lián)準直激光發(fā)射模塊。無論您需要連續(xù)輸出，脈沖輸出，定制中心波長，寬調(diào)諧，線寬<5 MHz，輸出功率達到百毫瓦級，還是高性價比的工業(yè)批量器件，請與我們聯(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-Qube^TM迷你全功能量子級聯(lián)激光發(fā)射單元（具備氣密，溫控，散熱，準直功能的中紅外激光器）

HPQCL-Q^TM 標準中紅外量子級聯(lián)激光器（全功能且含共軸紅光，方便用戶觀察及調(diào)光）

HPQCL-H^TM 工業(yè)級HHL封裝量子級聯(lián)激光器（高性價比，高可靠）

QC-Qube^TM迷你QCL發(fā)射頭

LIV曲線以及準直光斑質(zhì)量

驅(qū)動器

       QC750-Touch^TM是集電流驅(qū)動，TEC溫控一體化的觸屏激光驅(qū)動器，具備全自動一鍵啟動功能，從開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功能，防止貴重的QCL激光器因過流和過溫導致?lián)p壞。驅(qū)動器的電流噪聲密度可以低至1.0 nA/Hz^1/2，非常適合用于高精度中紅外光譜分析。

QC750-Touch^TM溫控電流一體化QCL驅(qū)動

QC750-Touch^TM界面視圖

紅外探測器

       不同于近紅外常見的Si和InGaAs探測器，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器。它是一種高靈敏度的光電探測器，這種材料對2~12 μm的中紅外光譜波段光波敏感，缺點是其光電流響應率R隨溫度變化非常敏感，溫度越高，響應率越低。因此，該型探測器一般需要結合液氮或TEC半導體制冷器在低溫下使用。海爾欣與波蘭VIGO公司合作，針對其多級制冷MCT芯片，自主開發(fā)了一套運放和 TEC高度集成的中紅外探測器模塊HPPD系列。HPPD系列通過反饋電路，將MCT元件的工作溫度控制在負四十攝氏度，從而將溫度對輸出信號的影響小化。探測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TDLAS的不同客戶需求，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提取，防止探測器出現(xiàn)飽和。

HPPD-B型前置放大制冷一體型MCT中紅外探測器