超短红外脉冲波形的精确控制大大提高了早期癌症的诊断效率

       近日，英国伦敦城市大学（以下简称LMU）和德国马克斯·普朗克研究所（以下简称MPQ）组成的国际激光物理团队首次控制光脉冲维持在中外波长范围内。

图1 超短激光脉冲入射到非线性晶体中，并经历复杂的混频过程。（图片来源：Dennis Luck和Alexander Gelin）

       超短红外光脉冲是激光技术广泛应用的关键。振荡的红外光场可以激发样品中的分子以特定的频率振动，或者驱动半导体中的超快电流。然而，超短光脉冲应用于尖端电光过程的研究都面临同一个问题——如何控制最佳波形。先前的研究表明，在其它波长范围内，如紫外可见光和近红外波段能够产生波形可控的超短脉冲。该跨国团队与匈牙利CMF合作，成功产生了超短中红外脉冲，并且可以精准控制它们的波形。通过红外光范围的精准控制，光学控制为生物医学和量子电子学的拓展应用提供了可能性。

       这种新型中红外光源的产生前提是一个稳定的激光系统，该系统同样能够产生精准调控的近红外波长激光脉冲。由于脉冲只包含光波的一次振荡，因此产生时间只有几毫秒。当这些脉冲入射到合适的非线性晶体中，利用复杂的混频过程（如图1）可以产生长波长的红外脉冲。通过这种方式，该团队成功产生了超宽光谱覆盖范围的光脉冲，其光谱覆盖范围超过三个光学八度，范围为1微米至12微米。此外，它们不仅能够理解和模拟混合过程的基本物理学，而且还开发了一种技术，能够通过调整激光输入参数精确控制产生的中红外光振荡。

       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动力学行为，这可以提高电子信号处理速度。“在这个基础上，我们可以畅想光控电子学的发展，”该研究的其中一个共同第一作者（共有三位）Philipp Steinleitner说，“如果光电子设备能够以这种光频率工作，目前的电子设备处理速度可以至少提升1000倍。”

图2 超短激光脉冲的产生。（图片来源：该成果共同第一作者之一，Alexander Weigel所在实验室）

       该团队的物理学家尤其关注新型光学技术在分子光谱学中的应用。当中红外光通过液体样品，例如人类血液时，液体中的分子开始振荡，并辐射特定频率的电磁波，这种频率可以作为分子的“指纹”表征分子。“利用这种激光技术，我们显著扩大了可控制的红外波长范围，”其中一位共同第一作者Nathalie Nagl说，“增添的波长范围使我们有机会更精确地分析分子混合物的组成成分。”

       此外，Mihaela Zigman宽红外诊断（BIRD）团队和Alexander Weigel的CMF团队对测量人类血液样本的精确红外分子指纹非常感兴趣——他们的目标是识别特征信号，以便于诊断癌症等疾病。例如，一个处于潜伏期的肿瘤会导致血液分子组成发生细微却极其复杂的变化。若能检测到这种细微变化，并识别简单采集的血液的红外指纹，可以大大提高早期疾病的诊断率。

       其中一位共同第一作者Maciej KowalcZyk说：“不久的将来，我们的激光技术将使我们的合作者能够检测到蛋白质或脂类等特定生物分子的指纹，这大大提高了红外激光技术应用于医学诊断的可靠性。”

       以上研究成果已经发表在期刊《Nature Photonics》上。