För att fånga snabbrörlig action i en svagt upplyst miljö, en fotograf kommer att använda kombinationen av en snabb slutartid och en snabb ljusskur.

Laserfysiker använder samma princip – fångar en mikroskopisk händelse av kort varaktighet genom att träffa den med en snabb puls av infrarött ljus. Självklart, medan handlingen en fotograf försöker fånga kan vara en hundradels sekund eller två, fysikerns möjlighetsfönster kan vara några femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund).

Men för att göra en ljuspuls kort nog för att fånga vad en fysiker kanske vill se – säg, effekten av ljusinducerade vibrationer på en molekyl i näthinnan – du behöver en ljuskälla som producerar ett brett spektrum av frekvenser. Och en grupp ledd av Jeffrey Moses, biträdande professor i tillämpad och teknisk fysik, har utvecklat en process för att generera och forma intensiva mellaninfraröda (mid-IR) ljuspulser.

"Vi har förmågan att skapa denna mycket bredbandskälla av mid-IR-ljus som är intensiv, och vi har förmågan att exakt forma det, sade Moses, vars grupp publicerade en tidning i Nature Photonics , "Generering och multi-oktavformning av mellaninfraröda intensiva encykelpulser, "20 mars.

Peter Krogen, Ph.D. '16, nu forskarassistent vid Massachusetts Institute of Technology, är huvudförfattare. Andra bidragsgivare var doktoranden Noah Flemens, en medlem av Mosesgruppen.

Mid-IR-våglängder är särskilt viktiga för materialforskare, apotek, biologer och fysiker av kondenserad materia. Nyligen, tillkomsten av högpulsenergi och ultrakort varaktighet mellan IR-källor har inlett en ny rad icke-linjära ljus-materia-interaktioner, och etablera mid-IR-källor som inte bara har en extrem bandbredd, men också en godtycklig kontroll av pulsformen, är av stort intresse.

En metod för att analysera kortvariga fenomen är pump-probe spektroskopi. Den första strålen av laserljus fungerar som "pumpen, "att generera en önskad reaktion i ett material, och den andra är "sonden, " används för att analysera reaktionen.

För att skapa ljuspulser som är tillräckligt korta för att fånga dessa händelser, ljuset måste innehålla ett brett spektrum av frekvenser inom IR-spektrumet. "Ju fler frekvenser jag har, ju kortare en puls kan jag göra, " sade Moses.

Problemet, dock, är att när man formar ljuset för ett specifikt syfte, du tappar bandbredd. För att övervinna det problemet, Moses och hans grupp utvecklade ett sätt att skapa och forma ett bredband, nära-IR-ljus pulserar och ändrar dess "färg" (vågfrekvens) till mid-IR med bibehållen bandbredd och form. Faktiskt, den relativa bandbredden för nära-IR-vågen – ett mått på hur kort en puls kan göras jämfört med den minsta möjliga varaktigheten vid den färgen – ökas effektivt när den konverteras till en mid-IR-våg.

Resultatet:pulser som bara varar en enda cykel av vågperioden, vilket är mycket nära det minimum som naturen tillåter.

"När vi går igenom den här processen, vi har bandbredd i nära-IR som är mindre än en oktav, "Mose sade, "och vi slutar med bandbredd i mitten av IR som är mer än en oktav." I våglängder, en oktav är spridningen mellan en frekvens och två gånger den frekvensen.

En speciell tillämpning av intresse för gruppen är att spåra hur elektronenergi flödar i ett system, såsom människosyn. Rhodopsinmolekyler i näthinnan absorberar ljus och ändrar sedan form – från böjd till rak – och det är denna uträtning som tjänar till att skicka en signal genom synnerven till hjärnan.

"Förändringen i den elektroniska konfigurationen av dessa molekyler sker under tiotals femtosekunder, " sade Moses. "Vi tror att vi har rätt ljuskälla här för att få mycket mer information om vad som händer under den ultrakorta tidsperioden."

Och vad kan den informationen berätta för en vetenskapsman? För en sak, den processen är mycket effektiv hos människor, men det finns andra liknande biologiska processer – som teoretiker tror regleras av en liknande typ av struktur – som är mycket ineffektiva.

"Med detta verktyg, vi försöker utveckla en metod för att studera denna typ av klass av strukturer som är ansvarig för hur molekyler reagerar på ljus, " sade Moses. "Detta kan hjälpa oss att förstå något som vi tillverkar och hjälpa oss att få det att göra vad det än gör mer effektivt."