飛秒光源：波長範圍1.6至10.2微米

分子是生命的基石。 像所有其他生物一樣，我們是由分子組成的。 分子控制著我們的生物節律，也可以反映我們的健康狀況。 由路德維希-馬克西米利安大學（LMU）和位於慕尼黑附近的馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ）的合資企業-阿斯頓物理實驗室（LAP）的研究人員們希望使用出色的紅外光來更詳細地研究分子疾病標誌物，例如，為早期癌症診斷提供便利。 該團隊開發了一種強大的飛秒光源，其發射波長在1.6至10.2微米之間。 該儀器應能夠檢測到血液或吸入的空氣中極低濃度的有機分子（Science Advances，「Multi-watt, multi-octave, mid-infrared femtosecond source」）。

非線性晶體從近紅外到中紅外的頻率轉換的示意圖。短波輻射進入晶體並驅動電子運動。電子不能完全跟隨光場的頻率，並且部分電子在較低的頻率下部分振蕩。這樣就產生了中紅外輻射。（圖片來源：亞歷山大格林）

通常，認識到有人生病只需一眼即可。但是，人的眼睛容易察覺到的疾病通常處於晚期階段。藉助激光，慕尼黑的研究人員們希望能夠在早期階段檢測和診斷疾病，而且這些疾病最適合進行治療性干預。然而，這需要非常銳利的視角 - 可以窺探分子世界的視角。

無數分子以非常特定的方式對中紅外區域中的某些波長的光進行反應。通過吸收特定的波長，樣品中的每種類型的分子在透射光束上印記特定的標記，這種標記可以用作識別分子的分子指紋。利用寬頻中紅外光源，人們可以一次性地檢測許多分子結構的指紋 - 例如，在血液或吸入的空氣樣本中。如果樣品中含有與特定疾病狀態相關的標誌物分子，在透射紅外光譜中也會顯示出這些分子的存在。

LAP的物理學家們現在已經構建了這樣一個光源，它覆蓋了1.6到10.2微米之間的波長。該激光系統具有瓦特級別的平均輸出功率，並且具有良好的可聚焦性以獲得高亮度的紅外光源。這一特性可提高檢測極低濃度分子的能力。另外，激光可以產生飛秒脈衝串[飛秒是百萬分之一秒（10-15秒）]，這使得它可以進行時間分辨和低雜訊和高解析度，以及高的測量精度。

目前，紅外光譜通常以使用非相干光為基礎，其提供了整個中紅外區域的覆蓋。然而，由非相干源產生的光束的相對較低的亮度顯著降低了檢測非常微弱的分子指紋的能力。或者可以使用粒子加速器中產生的同步加速器輻射，但這種設備非常少見，而且非常昂貴。

然而，基於激光的方法可以產生比同步加速器更亮的光束。 LAP的物理學家們現在已經成功地建立了一個相干光源，該光源在紅外範圍內的廣譜區域產生了明亮的激光。這曾經是激光源的主要缺點。此外，與同步加速器相比，新系統的佔地面積更小（且成本更低）：它適用於大型工作台。

「當然，到我們能夠在很早的階段診斷出癌症，還有很長的路要走。例如，我們需要更好地了解疾病標記，並且我們必須設計一種有效的方法來量化它們」，參與該項目的研究人員之一Marcus Seidel說到。「但現在我們已經大大改進了可用的光源，我們可以開始解決這些問題。」此外，這一新的激光系統將在除生物科學以外的領域找到其他應用。畢竟，精確觀察分子及其轉變也是化學和物理學的核心。

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