江苏激光联盟陈长军导读：

据悉，LMU的attoworld团队和Max Planck量子光学研究所的一个国际激光物理学家团队已经对中红外波长范围内的光脉冲实现了前所未有的控制。

超短激光脉冲被送入非线性晶体，并经历复杂的混频过程。来源：Dennis Luck, Alexander Gelin

超短红外光脉冲是广泛技术应用的关键。振荡红外光场可以激发样品中的分子以特定频率振动，或驱动半导体中的超快电流。任何想要利用超短光脉冲的振荡波形来驱动尖端光电过程的人，都面临着同样的问题：如何最好地控制波形本身。在紫外-可见光和近红外等不同波长范围内，可以产生波形可调的超短脉冲。LMU的attoworld团队、Max Planck量子光学研究所（MPQ）和匈牙利分子指纹中心（CMF）的物理学家现已成功产生超短中红外脉冲并精确控制其电场波形。有了这个红外波形操纵器，光学控制在生物医学应用和量子电子学中的新可能性即将实现。

新中红外光源的基础是一个稳定的激光系统，该系统在近红外波长下产生具有精确定义波形的光脉冲。这些脉冲只由光波的一次振荡组成，因此只有几飞秒长。当这些脉冲被发送到合适的非线性晶体中时，利用复杂的混频过程可以诱导产生长波红外脉冲。通过这种方式，该团队成功地产生了光谱覆盖范围非常大的光脉冲，超过三个光学倍频程，从1微米到12微米。研究人员不仅能够理解和模拟混合过程的基本物理，而且还开发了一种新方法，通过调整激光输入参数来精确控制产生的中红外光的振荡。

通过级联非线性过程进行波形合成。

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，这可以在未来实现更高的电子信号处理速度。这项研究的三位主要作者之一Philipp Steinleitner解释说：“在此基础上，人们可以设想光控电子学的发展。若光电器件以产生光的频率工作，你们可以将今天的电子器件的速度提高至少1000倍。”

超短激光脉冲的产生：来自合著者Alexander Weigel实验室的图像。来源：Alexander Weigel

attoworld的物理学家们特别关注新的光技术在分子光谱中的应用。当中红外光通过样品液体（例如人体血液）时，样品中的分子开始振荡，进而发出特征光波。检测分子反应提供了一个独特的指纹，这取决于样品的确切组成。“利用我们的激光技术，我们显著扩大了红外波段的可控范围。”该研究的第一作者NathalieNagl说。“额外的波长让我们有机会更精确地分析分子混合物的组成。”

在attoworld小组中，Mihaela Zigman领导的宽带红外诊断（BIRD）团队和Alexander Weigel领导的CMF研究团队的同事对测量人类血液样本的精确红外分子指纹特别感兴趣。我们的愿景是识别能够诊断癌症等疾病的特征信号。例如，一个正在发展的肿瘤会导致血液分子组成发生微小而高度复杂的变化。目的是检测这些变化，并通过测量一滴简单的人体血液的红外指纹，实现疾病的早期诊断。

单周期Cr:ZnS激光源的实验装置和特性。

该研究的第一作者Maciej Kowalczyk说：“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质等特定生物分子中以前无法检测到的变化。因此，它提高了未来使用红外激光技术进行医学诊断的可靠性。”

级联IPDFG的红外超连续谱。

这项研究发表在《自然光子学》上。

来源：Single-cycle infrared waveform control, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01001-2

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