Управление формой волны ультракоротких инфракрасных импульсов
Международная команда физиков-лазерщиков из команды attoworld из LMU и Института квантовой оптики им. Макса Планка добилась беспрецедентного контроля над световыми импульсами в среднем инфракрасном диапазоне длин волн.
Ультракороткие лазерные импульсы посылаются в нелинейный кристалл и подвергаются сложным процессам смешения частот. Авторы и права: Деннис Лак, Александр Гелин
Ультракороткий инфракрасный светимпульсы являются ключом к широкому спектру технологических приложений. Осциллирующее инфракрасное световое поле может возбуждать молекулы в образце, заставляя их вибрировать на определенных частотах, или управлять сверхбыстрыми электрическими токами в полупроводниках. Любой, кто намеревается использовать осциллирующую форму волны сверхкоротких световых импульсов, например, для управления передовыми электрооптическими процессами, сталкивается с одним и тем же вопросом — как лучше всего управлять самой формой волны. Генерация сверхкоротких импульсов с регулируемой формой волны была продемонстрирована в различных диапазонах длин волн, таких как УФ-видимый и ближний инфракрасный. Физики из команды attoworld в LMU, Институту квантовой оптики Макса Планка (MPQ) и Венгерскому центру молекулярной дактилоскопии (CMF) теперь удалось генерировать ультракороткие импульсы среднего инфракрасного диапазона и точно контролировать форму волны электрического поля. Имея под рукой этот инфракрасный манипулятор сигналов, становятся доступными новые возможности оптического управления для биомедицинских приложений и квантовой электроники.
Основой для нового источника среднего инфракрасного диапазона является стабилизированная лазерная система, которая генерирует световые импульсы с точно определенной формой волны в ближнем инфракрасном диапазоне. Импульсы состоят только из одного колебания световой волны и, таким образом, имеют продолжительность всего несколько фемтосекунд. Когда эти импульсы посылаются в подходящий нелинейный кристалл, генерация длинноволновых инфракрасных импульсов может быть вызвана использованием сложных процессов смешения частот. Таким образом, команде удалось получить световые импульсы .с исключительно большим спектральным охватом более трех оптических октав, от 1 до 12 микрометров. Исследователи не только смогли понять и смоделировать основную физику процессов смешивания, но также разработали новый подход к точному управлению колебаниями генерируемого среднего инфракрасного излучения посредством настройки входных параметров лазера.
Результирующие регулируемые формы сигналов могут, например, выборочно запускать определенные электронные процессы в твердых телах, что позволит в будущем достичь гораздо более высоких скоростей обработки электронных сигналов. «Исходя из этого, можно представить себе развитие электроники, управляемой светом», — объясняет Филипп Штайнлейтнер, один из трех ведущих авторов исследования. «Если бы оптоэлектронные устройства работали на частотах генерируемого света, вы могли бы ускорить современную электронику как минимум в 1000 раз».
Генерация сверхкоротких лазерных импульсов: изображение из лаборатории соавтора Александра Вейгеля. Предоставлено: Торстен Насер / LMU
Физики уделяют особое внимание использованию новой световой технологии для спектроскопии молекул. Когда средний инфракрасный свет проходит через образец жидкости, например кровь человека, молекулы в образце начинают колебаться и, в свою очередь, излучают характерные световые волны. Обнаружение молекулярного отклика обеспечивает уникальный отпечаток пальца, который зависит от точного состава образца. «Благодаря нашей лазерной технологии мы значительно расширили контролируемый диапазон длин волн в инфракрасном диапазоне», — говорит Натали Нагл, также первый автор исследования. «Дополнительные длины волн дают нам возможность еще более точно проанализировать состав смеси молекул», — продолжает она.
В группе attoworld коллеги из группы широкополосной инфракрасной диагностики (BIRD) под руководством Михаэлы Зигман и исследовательской группы CMF под руководством Александра Вайгеля особенно заинтересованы в измерении точных инфракрасных молекулярных отпечатков образцов крови человека. Концепция заключается в выявлении характерных признаков, позволяющих диагностировать такие заболевания, как рак. Развивающаяся опухоль, например, приводит к небольшим и весьма сложным изменениям молекулярного состава крови. Цель состоит в том, чтобы обнаружить эти изменения и обеспечить раннюю диагностику заболеваний путем измерения инфракрасного отпечатка простой капли человеческой крови .
«В будущем наша лазерная технология позволит нашим коллегам обнаруживать ранее незаметные изменения в определенных биомолекулах, таких как белки или липиды. Таким образом, это повысит надежность будущей медицинской диагностики с использованием инфракрасной лазерной технологии», — говорит Мацей Ковальчик, также первый автор исследования исследование.
Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.
