Een internationaal team van laserfysici van het attoworld-team van LMU en het Max Planck Institute of Quantum Optics heeft een ongekende controle bereikt over lichtpulsen in het midden-infrarode golflengtebereik.

Ultrakorte infrarood lichtpulsen zijn de sleutel tot een breed scala aan technologische toepassingen. Het oscillerende infraroodlichtveld kan moleculen in een monster exciteren om op specifieke frequenties te trillen, of ultrasnelle elektrische stromen in halfgeleiders aandrijven. Iedereen die van plan is de oscillerende golfvorm van ultrakorte lichtpulsen te benutten, bijvoorbeeld om geavanceerde elektro-optische processen aan te sturen, staat voor dezelfde vraag:hoe de golfvorm zelf het beste te regelen. Het genereren van ultrakorte pulsen met instelbare golfvormen is aangetoond in verschillende golflengtebereiken, zoals het UV-zichtbare en het nabij-infrarood. Natuurkundigen van het attoworld-team van de LMU, het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) en het Hongaarse Centrum voor Moleculaire Vingerafdrukken (CMF) zijn er nu in geslaagd ultrakorte midden-infrarode pulsen te genereren en hun elektrische veldgolfvormen nauwkeurig te regelen. Met deze infrarood golfvormmanipulator bij de hand komen nieuwe mogelijkheden van optische controle voor biomedische toepassingen en kwantumelektronica binnen handbereik.

De basis voor de nieuwe midden-infraroodbron is een gestabiliseerd lasersysteem dat lichtpulsen genereert met een nauwkeurig gedefinieerde golfvorm op nabij-infrarode golflengten. De pulsen bestaan ​​uit slechts één trilling van de lichtgolf en zijn dus slechts enkele femtoseconden lang. Wanneer deze pulsen naar een geschikt niet-lineair kristal worden gestuurd, kan het genereren van infraroodpulsen met lange golflengte worden geïnduceerd door gebruik te maken van complexe frequentiemengprocessen. Op deze manier slaagde het team erin lichtpulsen te produceren met een uitzonderlijk grote spectrale dekking van meer dan drie optische octaven, van 1 tot 12 micrometer. De onderzoekers waren niet alleen in staat om de onderliggende fysica van de mengprocessen te begrijpen en te simuleren, maar ontwikkelden ook een nieuwe benadering om de oscillaties van het gegenereerde midden-infrarood licht nauwkeurig te regelen via de afstemming van de laserinvoerparameters.

De resulterende instelbare golfvormen kunnen bijvoorbeeld selectief bepaalde elektronische processen in vaste stoffen activeren, waardoor in de toekomst veel hogere elektronische signaalverwerkingssnelheden kunnen worden bereikt. "Op basis hiervan zou je je de ontwikkeling van lichtgestuurde elektronica kunnen voorstellen", legt Philipp Steinleitner, een van de drie hoofdauteurs van het onderzoek, uit. "Als opto-elektronische apparaten zouden werken op frequenties van het gegenereerde licht, zou je de hedendaagse elektronica met minstens een factor 1000 kunnen versnellen."

De attoworld-fysici besteden bijzondere aandacht aan het gebruik van de nieuwe lichttechnologie voor de spectroscopie van moleculen. Wanneer mid-infrarood licht door een monstervloeistof gaat, bijvoorbeeld menselijk bloed, beginnen moleculen in het monster te oscilleren en zenden op hun beurt karakteristieke lichtgolven uit. Het detecteren van de moleculaire respons levert een unieke vingerafdruk op die afhangt van de exacte samenstelling van het monster. "Met onze lasertechnologie hebben we het regelbare golflengtebereik in het infrarood aanzienlijk uitgebreid", zegt Nathalie Nagl, ook eerste auteur van het onderzoek. "De extra golflengten geven ons de mogelijkheid om nog nauwkeuriger te analyseren hoe een mengsel van moleculen is samengesteld", vervolgt ze.

In de attoworld-groep zijn collega's van het Broadband Infrared Diagnostics (BIRD)-team onder leiding van Mihaela Zigman en het CMF Research-team onder leiding van Alexander Weigel vooral geïnteresseerd in het meten van de precieze infrarood moleculaire vingerafdrukken van menselijke bloedmonsters. De visie is om karakteristieke handtekeningen te identificeren die het mogelijk maken om ziekten zoals kanker te diagnosticeren. Een zich ontwikkelende tumor leidt bijvoorbeeld tot kleine en zeer complexe veranderingen in de moleculaire samenstelling van het bloed. Het doel is om deze veranderingen te detecteren en een vroege diagnose van ziekten mogelijk te maken door de infrarode vingerafdruk van een simpele druppel menselijk bloed te meten.

"In de toekomst zal onze lasertechnologie onze collega's in staat stellen om voorheen niet-detecteerbare veranderingen in specifieke biomoleculen zoals eiwitten of lipiden te detecteren. Het verhoogt dus de betrouwbaarheid van toekomstige medische diagnostiek met behulp van infraroodlasertechnologie", zegt Maciej Kowalczyk, ook eerste auteur van de studeren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics . + Verder verkennen

Een gevoel voor infrarood licht