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红外超短脉冲激光波形控制研究

【概述】在紫外-可见光和近红外等不同波长范围内,已经可以产生波形可调的超短脉冲激光,但是在中红外及长波红外波段则未曾实现。2022年,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)的物理学家们宣布其成功产生超短中红外脉冲激光并精确控制其波形,国内华中科技大学的张金伟教授也是该论文的共同作者。脉冲波形可调的超短脉冲红外激光可以更加精准地驱动尖端光电过程,例如激发样品中的分子以特定频率振动(基于分子光谱的疾病诊断),或驱动半导体中的超快电流(超高速电子器件)。

研究方法
基于级联脉冲内差频技术(IPDFG)可以获得红外多波段的激光输出,如图1所示:以130THz(2.3µm)和160THz(1.9µm)(虚线黑色线)两束基频光差频先获得30 THz(11µm)激光;新产生的30 THz(11µm附近)激光与130THz(2.3µm)差频再获得100THz(3µm附近)激光;然后100THz(3µm附近)激光和160THz(1.9µm)差频获得和60THz(5µm附近);60THz(5µm附近)激光与130THz(2.3µm)差频再获得70THz(4.3µm附近)激光。当两束基频光为宽带超短脉冲激光时,实际上以上差频过程最终获得的是宽带红外超连续谱,通过基频光载波包络相位(CEP)调节还可以控制红外光谱发射强度与强弱分布。

图1级联脉冲内差频技术(IPDFG)基本原理示意。图片来自:《自然光子学》-Single-cycle infrared waveform control, Nature Photonics (2022)。
实验装置如图2所示,该团队利用2.3μm的Cr:ZnS飞秒激光器(28fs,23MHz,24nJ)作为基频光,经过TiO2自相位调制后展宽为1.1-3.2μm波段激光(7.7fs),然后经过楔形ZnS分光(透射215mW),透射光进入ZGP晶体、基于IPDFG非线性效应产生红外超连续谱激光(0.9-12μm),楔形镜前后两面反射光作为后续脉冲波形精确调节的参考光和CEP偏置的准确测定

图2产生装置与方法。图片来自:《自然光子学》-Single-cycle infrared waveform control, Nature Photonics (2022)。
研究结果
最终将红外超连续谱激光与参考光合束,改变CEP相位差实现脉冲波形控制,利用0.1mm厚度GaSe晶体进行红外脉冲激光波形分析,结果如图3所示。

图3脉冲波形控制结果。图片来自:《自然光子学》-Single-cycle infrared waveform control, Nature Photonics (2022)。
医疗应用前景
文章作者认为该激光技术显著扩大了红外波段的可控范围,且宽带波长有机会更精确地分析分子混合物的组成,这对测量人类血液样本的精确红外分子指纹特别有帮助,进而通过血液分析能够诊断癌症等疾病的特征信号,实现疾病的早期诊断。另外,该激光技术还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。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-022-01001-2#Sec6