慕尼黑大學（LMU）attoworld團隊和馬克斯·普朗克量子光學研究所的一個國際激光物理學家團隊已經對中紅外波長范圍內的光脈沖實現了前所未有的控制。
圖1， 單周期Cr:ZnS激光源的實驗裝置。
超短紅外光脈沖是一系列技術應用的關鍵。振蕩的紅外光場可以激發樣品中的分子使其以特定頻率振動，或驅動半導體中的超快電流。任何計劃利用超短光脈沖的振蕩波形來驅動尖端光電過程的研究人員都面臨著同樣的問題——如何最好地控制波形本身。在紫外-可見光和近紅外等不同波長范圍內，可以產生波形可調的超短脈沖。LMU的attoworld團隊、馬克斯·普朗克量子光學研究所（MPQ）和匈牙利分子指紋中心（CMF）的物理學家現已成功產生超短中紅外脈沖并精確控制其電場波形。有了這個紅外波形操縱器，光學控制在生物醫學應用和量子電子學中的新可能性即將實現。
新型中紅外光源的基礎是一個穩定的激光系統，該系統在近紅外波長下產生具有精確定義波形的光脈沖。這些脈沖只由光波的一次振蕩組成，因此只有幾飛秒長。當這些脈沖被發送到合適的非線性晶體中時，利用復雜的混頻過程可以誘導產生長波紅外脈沖。通過這種方式，該團隊成功地產生了光譜覆蓋范圍非常大的光脈沖，超過三個光學倍頻程，從1微米到12微米。研究人員不僅能夠理解和模擬混合過程的基本物理，而且還開發了一種新方法，通過調整激光輸入參數來精確控制產生的中紅外光的振蕩。
例如，這樣產生的可調波形可以選擇性地觸發固體中的某些電子過程，這可以在未來實現更高的電子信號處理速度。這項研究的三位主要作者之一菲利普·斯坦萊特納（Philipp Steinleitner）解釋說：“在此基礎上，人們可以設想光控電子學的發展。”。“若光電設備以產生光的頻率工作，人們可以將今天的電子設備的速度至少提高1000倍。”
attoworld的物理學家們特別關注新的光技術在分子光譜中的應用。當中紅外光通過樣品液體（例如人體血液）時，樣品中的分子開始振蕩，進而發出特征光波。通過檢測分子的響應，可以提供不同樣品的特定指紋圖譜。“利用該項激光技術，顯著擴大了紅外波段的可控范圍，”該研究的第一作者NathalieNagl說。“額外的波長讓我們有機會更精確地分析分子混合物的組成，”她繼續說。
在attoworld小組中，米哈埃拉·齊格曼（Mihaela Zigman）領導的寬帶紅外診斷（BIRD）團隊和亞歷山大·魏格爾（Alexander Weigel）領導的CMF研究團隊的同事對測量人類血液樣本的精確紅外分子指紋特別感興趣。他們的愿景是識別能夠診斷癌癥等疾病的特征信號。例如，一個正在發展的腫瘤會導致血液分子組成發生微小而高度復雜的變化。通過檢測這些變化，并通過測量一滴簡單的人體血液的紅外指紋，實現疾病的早期診斷。
該研究的第一作者Maciej Kowalczyk說：“未來，我們的激光技術將使我們的同事能夠檢測到蛋白質或脂質等特定生物分子中以前無法檢測到的變化。因此，它提高了未來使用紅外激光技術進行醫學診斷的可靠性。”。