Styring af bølgeformen af ​​ultrakorte infrarøde impulser

Et internationalt hold af laserfysikere fra attoworld-teamet ved LMU og Max Planck Institute of Quantum Optics har opnået hidtil uset kontrol over lysimpulser i det mellem-infrarøde bølgelængdeområde.

Ultrakorte infrarøde lysimpulser er nøglen til en bred vifte af teknologiske anvendelser. Det oscillerende infrarøde lysfelt kan excitere molekyler i en prøve til at vibrere ved specifikke frekvenser eller drive ultrahurtige elektriske strømme i halvledere. Enhver, der har til hensigt at udnytte den oscillerende bølgeform af ultrakorte lysimpulser, til for eksempel at drive banebrydende elektro-optiske processer, står over for det samme spørgsmål - hvordan man bedst styrer bølgeformen selv. Generering af ultrakorte pulser med justerbare bølgeformer er blevet demonstreret i forskellige bølgelængdeområder som UV-synlige og nær-infrarøde. Fysikere fra attoworld-teamet ved LMU, Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) og det ungarske center for molekylært fingeraftryk (CMF) er nu lykkedes med at generere ultrakorte midt-infrarøde impulser og præcist kontrollere deres elektriske felts bølgeformer. Med denne infrarøde bølgeformsmanipulator ved hånden kommer nye muligheder for optisk kontrol til biomedicinske applikationer og kvanteelektronik inden for rækkevidde.

Grundlaget for den nye mid-infrarøde kilde er et stabiliseret lasersystem, der genererer lysimpulser med en præcist defineret bølgeform ved nær-infrarøde bølgelængder. Impulserne består kun af én svingning af lysbølgen og er således kun få femtosekunder lange. Når disse impulser sendes ind i en passende ikke-lineær krystal, kan genereringen af ​​infrarøde impulser med lang bølgelængde induceres ved at drage fordel af komplekse frekvensblandingsprocesser. På denne måde lykkedes det holdet at producere lysimpulser med en usædvanlig stor spektral dækning på mere end tre optiske oktaver, fra 1 til 12 mikrometer. Forskerne var ikke kun i stand til at forstå og simulere den underliggende fysik af blandingsprocesserne, men udviklede også en ny tilgang til præcist at kontrollere svingningerne af det genererede mellem-infrarøde lys via tuning af laserinputparametrene.

De resulterende justerbare bølgeformer kan for eksempel selektivt udløse visse elektroniske processer i faste stoffer, hvilket kunne gøre det muligt at opnå meget højere elektroniske signalbehandlingshastigheder i fremtiden. "På dette grundlag kunne man forestille sig udviklingen af ​​lysstyret elektronik," forklarer Philipp Steinleitner, en af ​​de tre hovedforfattere af undersøgelsen. "Hvis opto-elektroniske enheder skulle fungere ved frekvenser af det genererede lys, kunne du fremskynde dagens elektronik med mindst en faktor 1000."

Attoworld-fysikerne er særligt opmærksomme på brugen af ​​den nye lysteknologi til spektroskopi af molekyler. Når midt-infrarødt lys passerer gennem en prøvevæske, for eksempel menneskeblod, begynder molekyler i prøven at oscillere og udsender igen karakteristiske lysbølger. Detektering af det molekylære respons giver et unikt fingeraftryk, der afhænger af den nøjagtige sammensætning af prøven. "Med vores laserteknologi har vi udvidet det kontrollerbare bølgelængdeområde i det infrarøde markant," siger Nathalie Nagl, også førsteforfatter til undersøgelsen. "De yderligere bølgelængder giver os mulighed for at analysere endnu mere præcist, hvordan en blanding af molekyler er sammensat," fortsætter hun.

I attoworld-gruppen er kolleger fra Broadband Infrared Diagnostics (BIRD)-teamet ledet af Mihaela Zigman og CMF Research-teamet ledet af Alexander Weigel særligt interesserede i at måle de præcise infrarøde molekylære fingeraftryk af menneskelige blodprøver. Visionen er at identificere karakteristiske signaturer, der gør det muligt at diagnosticere sygdomme som kræft. En tumor i udvikling fører for eksempel til små og meget komplekse ændringer i blodets molekylære sammensætning. Målet er at opdage disse ændringer og at muliggøre tidlig diagnosticering af sygdomme ved at måle det infrarøde fingeraftryk af en simpel dråbe menneskeblod.

"I fremtiden vil vores laserteknologi give vores kolleger mulighed for at opdage tidligere uopdagelige ændringer i specifikke biomolekyler såsom proteiner eller lipider. Det øger dermed pålideligheden af ​​fremtidig medicinsk diagnostik ved hjælp af infrarød laserteknologi," siger Maciej Kowalczyk, også førsteforfatter af studere.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Photonics . + Udforsk yderligere

Fornemmelse for infrarødt lys