近日，来自德国慕尼黑大学（LMU）ATTOWorld实验室、马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)和匈牙利分子指纹研究中心(CMF)的物理学家们宣布，他们在研究实验中成功地产生了超短中红外脉冲，并精确地控制了它们的电场波形。
团队表示，他们实现了“对中红外波长范围内的光脉冲的前所未有的控制”。有这个红外波形“操控器”在手，科学家们将为生物医学应用和量子电子学的光学控制提供新的可能性。
将超短激光脉冲送入非线性晶体中，使其经历复杂的混频过程。通过调整激光输入参数，科学家们能够精确地控制产生的中红外光的振荡。（图片来源：ATTOWorld官网）
超短红外光脉冲是一系列广泛技术应用的关键。振荡的红外光场可以激发样品中的分子以特定频率振动，或者驱动半导体中的超快电流。
具体来看，新中红外光源的基础是一个稳定的激光系统，能够在近红外波长的光脉冲中产生具有精确轮廓的波形。脉冲仅由光波的一次振荡组成，因此只有几飞秒长。当这些脉冲被送入合适的非线性晶体时，利用复杂的混频过程可以诱导产生长波长的红外脉冲。
正是通过这种方法，上述联合研究团队成功地产生了光谱覆盖范围从1μm到12μm、超过3个光学八度的超大光脉冲。在此过程中，研究人员不仅能够理解和模拟混合过程的基础物理，而且还开发了一种新的方法，可以通过调谐激光输入参数来精确控制产生的中红外光的振荡。
例如，由此产生的可调波形可以选择性地触发固体中的某些电子过程，这有望在未来实现更高的电子信号处理速度。“在此基础上，人们可以设想光控电子技术的发展，”该研究的三位主要作者之一菲利普·施泰因莱特纳(Philipp Steinleitner)表示，“如果光电设备能在产生的光的频率上工作，你就能使今天的电子设备速度至少提高1000倍。”
当下，不少物理学家热衷于研究在分子光谱学中应用新的光技术。在此次实验中，当中红外光穿过液体样本(例如人体血液)时，样本中的分子开始振荡，并发出特有的光波。而通过检测分子的响应，可以提供不同样品的特定“指纹”，这主要依赖于样品的确切组成。
该研究的第一作者Nathalie Nagl表示:“通过这项新的激光技术，我们大大扩展了红外的可控波长范围。更广范围的波长让我们得以更精确地分析分子混合物的具体组成。”
谈到具体应用，Mihaela Zigman领导的宽带红外诊断(BIRD)团队和Alexander Weigel领导的CMF研究团队的研究人员表示，他们对测量人类血液样本的精确红外分子“指纹”特别感兴趣。他们的目标主要是识别特征特征，以便诊断癌症等疾病：“在未来，我们的激光技术将使我们的同事能够检测到蛋白质或脂类等特定生物分子中以前无法检测到的变化。它增加了未来使用红外激光技术进行医疗诊断的可靠性。”