Ett internationellt team av laserfysiker från attoworld-teamet vid LMU och Max Planck Institute of Quantum Optics har uppnått oöverträffad kontroll över ljuspulser i det mellaninfraröda våglängdsområdet.

Ultrakorta infraröda ljuspulser är nyckeln till ett brett utbud av tekniska tillämpningar. Det oscillerande infraröda ljusfältet kan excitera molekyler i ett prov för att vibrera vid specifika frekvenser, eller driva ultrasnabba elektriska strömmar i halvledare. Alla som har för avsikt att utnyttja den oscillerande vågformen av ultrakorta ljuspulser, för att till exempel driva banbrytande elektrooptiska processer, ställs inför samma fråga – hur man bäst kontrollerar vågformen själva. Genereringen av ultrakorta pulser med justerbara vågformer har demonstrerats i olika våglängdsområden som UV-synliga och nära-infraröda. Fysiker från attoworld-teamet vid LMU, Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) och Ungerns centrum för molekylärt fingeravtryck (CMF) har nu lyckats generera ultrakorta mellaninfraröda pulser och exakt kontrollera deras elektriska fältvågformer. Med denna infraröda vågformsmanipulator till hands kommer nya möjligheter till optisk styrning för biomedicinska applikationer och kvantelektronik inom räckhåll.

Grunden för den nya mellaninfraröda källan är ett stabiliserat lasersystem som genererar ljuspulser med en exakt definierad vågform vid nära-infraröda våglängder. Pulserna består av endast en svängning av ljusvågen och är alltså bara några femtosekunder långa. När dessa pulser skickas in i en lämplig icke-linjär kristall kan genereringen av infraröda pulser med långa våglängder induceras genom att dra fördel av komplexa frekvensblandningsprocesser. På så sätt lyckades teamet producera ljuspulser med en exceptionellt stor spektral täckning på mer än tre optiska oktaver, från 1 till 12 mikrometer. Forskarna kunde inte bara förstå och simulera den underliggande fysiken för blandningsprocesserna, utan utvecklade också ett nytt tillvägagångssätt för att exakt kontrollera svängningarna i det genererade mellaninfraröda ljuset via inställningen av laserns ingångsparametrar.

De resulterande justerbara vågformerna kan till exempel selektivt utlösa vissa elektroniska processer i fasta ämnen, vilket skulle kunna göra det möjligt att uppnå mycket högre elektroniska signalbehandlingshastigheter i framtiden. "På denna grund kan man föreställa sig utvecklingen av ljusstyrd elektronik", förklarar Philipp Steinleitner, en av de tre huvudförfattarna till studien. "Om opto-elektroniska enheter skulle fungera vid frekvenser av det genererade ljuset, skulle du kunna påskynda dagens elektronik med minst en faktor 1000."

Attoworld-fysikerna ägnar särskild uppmärksamhet åt användningen av den nya ljusteknologin för spektroskopi av molekyler. När mellaninfrarött ljus passerar genom en provvätska, till exempel mänskligt blod, börjar molekylerna i provet att svänga och i sin tur avger karakteristiska ljusvågor. Att upptäcka det molekylära svaret ger ett unikt fingeravtryck som beror på den exakta sammansättningen av provet. "Med vår laserteknik har vi avsevärt utökat det kontrollerbara våglängdsområdet i det infraröda området", säger Nathalie Nagl, även första författare till studien. "De ytterligare våglängderna ger oss möjlighet att analysera ännu mer exakt hur en blandning av molekyler är sammansatt", fortsätter hon.

I attoworld-gruppen är kollegor från Broadband Infrared Diagnostics (BIRD)-teamet under ledning av Mihaela Zigman och CMF Research-teamet under ledning av Alexander Weigel särskilt intresserade av att mäta de exakta infraröda molekylära fingeravtrycken från mänskliga blodprover. Visionen är att identifiera karakteristiska signaturer som gör det möjligt att diagnostisera sjukdomar som cancer. En utvecklande tumör leder till exempel till små och mycket komplexa förändringar i blodets molekylära sammansättning. Målet är att upptäcka dessa förändringar och att möjliggöra tidig diagnos av sjukdomar genom att mäta det infraröda fingeravtrycket från en enkel droppe mänskligt blod.

"I framtiden kommer vår laserteknik att göra det möjligt för våra kollegor att upptäcka tidigare odetekterbara förändringar i specifika biomolekyler som proteiner eller lipider. Det ökar därmed tillförlitligheten för framtida medicinsk diagnostik med hjälp av infraröd laserteknik", säger Maciej Kowalczyk, också förste författare till studera.

Forskningen publicerades i Nature Photonics . + Utforska vidare

En känsla för infrarött ljus