一種用於高靈敏度分子探測的新型中紅外光源

摘要：來自德國慕尼黑大學（LMU）和馬克思普朗克量子光學所（MPQ）阿秒物理實驗室（LAP）的物理學家們最近研發出了高功率、超寬光譜範圍的新型中紅外超快光源。該光源的研製成功，為醫療、生命科學以及材料分析等眾多領域開展新的應用研究開闢了一條全新的途徑。

利用中紅外光源能夠對分子進行高靈敏度的探測。在中紅外光的幫助下，研究人員可以尋找到那些塑造以及決定人類生命的粒子。這其中的關鍵在於中紅外光具有能夠讓分子產生振動這一特性。科學家們正在廣泛利用這一特性來分析樣品的分子組成。

為了讓這種分析更加準確，德國慕尼黑大學和馬克思普朗克量子光學所阿秒物理實驗室的Jinwei Zhang 博士和 Ka Fai Mak 博士與其小組同事們最近開發出一種新型的具有超寬光譜的中紅外光源。該光源能夠用來幫助探測諸如血液等液體中的極小數量的分子，在相關領域中處於世界領先水平。

當中紅外光遇到分子時，分子會發生振動。在這一過程中，每種特定類型的分子會被特定波長的光所激發。絕大多數分子的振動譜線位於 3-20 微米範圍內。通過檢測這種激發後分子輻射出來的光譜，研究人員可以推斷出諸如血液以及呼吸氣體等樣品的分子組成。中紅外光源的光譜越寬、功率越高，則探測以及推斷結果的準確性也就越高。

LAP 的物理學家們決定面對這一挑戰。他們開發出世界上第一台運轉在 2 微米波長的飛秒鎖模薄片激光器，該激光器能夠在一秒鐘發射 77,000,000 個激光脈衝，具有 19 瓦的平均功率。一個脈衝的時間尺度寬度在 300 飛秒左右（1 飛秒=10-15秒）。基於這一薄片激光器，他們通過非線性變換的方法產生出覆蓋 4.5-20 微米範圍的光譜（可見光範圍是從 0.35-0.7 微米）。幾乎囊括了所有分子的振動譜線波長範圍。

這是目前為止世界上基於固體激光器得到的最寬的中紅外光譜，該光譜如果變換到時間域，可以得到周期量級的脈衝寬度。

這一新型中紅外光源同時也為科學家更好地理解固體以及軟物質的基礎特性打開了大門。通過分析光與物質相互作用之後的光譜，結合中紅外光譜學以及顯微技術等能夠使得研究結果更加精確。

LAP 團隊的科學家們將這種新型的中紅外光源應用到名為「寬頻紅外檢測」的項目中。在這一框架下，他們對探索血液以及呼吸氣體中的分子組成產生了興趣。這將給早期癌症檢測等醫學領域帶來極大的便利。如果在一個人的血液以及呼吸氣體中檢測到癌症患者身上才出現的特定分子，便可以此作為初期判斷癌症的可靠依據。接下來進一步的檢查將是十分必要的。這種用於早期疾病檢測的新型工具也已經正在研發之中。

由 LMU 和 MPQ 科學家研發的激光系統是世界上第一種能夠覆蓋 4.5-20 微米光譜範圍（兩個倍頻程）的中紅外激光光源

原始文獻：

[1] Jinwei Zhang, Ka Fai Mak, Nathalie Nagl, Marcus Seidel, Dominik Bauer, Dirk Sutter, Vladimir Pervak, Ferenc Krausz, and Oleg Pronin Multi-mW, few-cycle mid-infrared continuum spanning from 500 to 2250 cm-1 Light: Science and Applications (2018) 7, 17180; doi:10.1038/lsa.2017.180

http://www.munich-photonics.de/public-outreach/news/n/a-keen-sense-for-molecules/

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