Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Mengontrol Bentuk Gelombang Pulsa Inframerah Ultrashort

Pulsa laser ultrashort dikirim ke kristal nonlinier dan menjalani proses pencampuran frekuensi yang kompleks. Kredit: Dennis Luck, Alexander Gelin.

Sebuah tim internasional fisikawan laser dari tim attoworld di LMU dan Max Planck Institute of Quantum Optics telah mencapai kontrol yang belum pernah terjadi sebelumnya atas pulsa cahaya dalam rentang panjang gelombang inframerah-tengah.

Cahaya inframerah ultra-pendekpulsa adalah kunci untuk berbagai aplikasi teknologi. Medan cahaya inframerah yang berosilasi dapat merangsang molekul dalam sampel untuk bergetar pada frekuensi tertentu, atau menggerakkan arus listrik ultracepat dalam semikonduktor. Siapa pun yang berniat untuk mengeksploitasi bentuk gelombang osilasi dari pulsa cahaya ultrashort, untuk mendorong proses elektro-optik mutakhir misalnya, menghadapi pertanyaan yang sama—bagaimana cara terbaik mengontrol bentuk gelombang itu sendiri. 

Generasi pulsa ultrashort dengan bentuk gelombang yang dapat disesuaikan telah ditunjukkan dalam rentang panjang gelombang yang berbeda seperti UV-terlihat dan inframerah-dekat. Fisikawan dari tim attoworld di LMU, Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) dan Hungarian Center for Molecular Fingerprinting (CMF) kini telah berhasil menghasilkan pulsa ultrashort mid-inframerah dan secara tepat mengendalikan bentuk gelombang medan listriknya. Dengan manipulator bentuk gelombang inframerah ini, kemungkinan baru kontrol optik untuk aplikasi biomedis dan elektronik kuantum dapat dicapai.

Dasar untuk sumber inframerah-tengah yang baru adalah sistem laser stabil yang menghasilkan pulsa cahaya dengan bentuk gelombang yang ditentukan secara tepat pada panjang gelombang inframerah -dekat . Pulsa hanya terdiri dari satu osilasi gelombang cahaya dan dengan demikian panjangnya hanya beberapa femtodetik. Ketika pulsa ini dikirim ke kristal nonlinier yang sesuai, pembangkitan pulsa inframerah panjang gelombang dapat diinduksi dengan mengambil keuntungan dari proses pencampuran frekuensi yang kompleks. Dengan cara ini, tim berhasil menghasilkan pulsa cahayadengan cakupan spektral yang sangat besar lebih dari tiga oktaf optik, dari 1 hingga 12 mikrometer. Para peneliti tidak hanya mampu memahami dan mensimulasikan fisika yang mendasari proses pencampuran, tetapi juga mengembangkan pendekatan baru untuk secara tepat mengontrol osilasi cahaya inframerah-tengah yang dihasilkan melalui penyetelan parameter input laser.

Bentuk gelombang yang dapat disesuaikan yang dihasilkan dapat, misalnya, secara selektif memicu proses elektronik tertentu dalam padatan, yang memungkinkan untuk mencapai kecepatan pemrosesan sinyal elektronik yang jauh lebih tinggi di masa depan. "Atas dasar ini, orang dapat membayangkan pengembangan elektronik yang dikendalikan cahaya," jelas Philipp Steinleitner, salah satu dari tiga penulis utama studi tersebut. "Jika perangkat opto-elektronik beroperasi pada frekuensi cahaya yang dihasilkan, Anda dapat mempercepat elektronik saat ini setidaknya dengan faktor 1000."

Generasi pulsa laser ultrashort: gambar dari laboratorium rekan penulis Alexander Weigel. Kredit: Thorsten Naeser / LMU

Fisikawan attoworld memberikan perhatian khusus pada penggunaan teknologi cahaya baru untuk spektroskopi molekul. Ketika cahaya pertengahan inframerah melewati cairan sampel, misalnya darah manusia, molekul dalam sampel mulai berosilasi dan pada gilirannya memancarkan gelombang cahaya yang khas. Mendeteksi respons molekuler memberikan sidik jari unik yang bergantung pada komposisi sampel yang tepat. "Dengan teknologi laser kami, kami telah secara signifikan memperluas rentang panjang gelombang yang dapat dikontrol dalam inframerah," kata Nathalie Nagl, juga penulis pertama studi tersebut. "Panjang gelombang tambahan memberi kita kesempatan untuk menganalisis lebih tepat bagaimana campuran molekul tersusun," lanjutnya.

Dalam kelompok attoworld, rekan-rekan dari tim Broadband Infrared Diagnostics (BIRD) yang dipimpin oleh Mihaela Zigman dan tim Riset CMF yang dipimpin oleh Alexander Weigel sangat tertarik untuk mengukur sidik jari molekul inframerah yang tepat dari sampel darah manusia. Visinya adalah untuk mengidentifikasi ciri khas yang memungkinkan untuk mendiagnosis penyakit seperti kanker. Tumor yang berkembang, misalnya, menyebabkan perubahan kecil dan sangat kompleks dalam komposisi molekul darah. Tujuannya adalah untuk mendeteksi perubahan ini, dan untuk memungkinkan diagnosis dini penyakit dengan mengukur sidik jari inframerah dari setetes darah manusia.

"Di masa depan, teknologi laser kami akan memungkinkan rekan-rekan kami untuk mendeteksi perubahan yang sebelumnya tidak terdeteksi dalam biomolekul tertentu seperti protein atau lipid. Dengan demikian, meningkatkan keandalan diagnostik medis masa depan menggunakan teknologi laser inframerah," kata Maciej Kowalczyk, juga penulis pertama dari belajar.

Penelitian ini dipublikasikan di Nature Photonics.

Sumber: Philipp Steinleitner et al, Single-cycle infrared waveform control, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01001-2