红外飞秒激光凭借超短脉冲（1飞秒=10⁻¹⁵秒）与强组织穿透力，正成为前沿科技的关键工具。中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）深耕该领域十余年，从基础物理突破到产业应用转化，逐步构建了覆盖光源研发、应用机制探索与多学科融合的创新体系，其成果正重塑生物医疗、精密制造与基础科学的边界。
宽带可调谐技术突破
长波红外飞秒激光（5–20 μm波段）的瓶颈在于宽光谱与高能量难以兼得。2024年，上海光机所提出“光学参量放大+差频产生”的级联调控方案：级通过光学参量放大（OPA）精细调节近红外种子光参数，第二级利用BGSe晶体（一种硒化镓钡晶体）的超宽透射范围（0.47–18 μm）和高非线性系数，在差频过程中实现能量转移。
该技术将长波红外激光的调谐范围拓展至5–13.5 μm，并在7.8 μm处实现单脉冲能量43 μJ的全球高纪录，全波段能量均超10 μJ，平均功率突破10 mW。通过电光采样测量，8.3 μm波长处脉冲宽度仅为72 fs，接近理论极限。这一突破为燃烧化学实时诊断、半导体材料缺陷分析等需宽谱探测的场景提供了理想工具。
协同非线性效应是效率跃升的核心。团队发现级联过程中三阶非线性效应（如自相位调制）与二阶非线性效应（和频/差频）形成互补：前者拓宽光谱，后者提升转换效率。基于此设计的啁啾极化铌酸锂晶体（CPPLN），通过周期结构调控实现2–10次谐波的同步相位匹配，为紫外-红外全谱段白光激光输出奠定基础。
生物医学创新应用
深层肿瘤精准诊疗是红外飞秒激光的颠覆性场景。传统光动力疗法因可见光穿透力弱（<5 mm）难以治疗肺、肝等深部肿瘤。上海光机所联合香港科技大学开发金纳米双锥载体，负载光敏剂后注入小鼠体内，利用800 nm飞秒激光激发双光子效应：纳米双锥吸收近红外光子，通过非辐射能量转移激活光敏剂，在肿瘤原位释放单线态氧。
实验显示，小鼠肺部原位肿瘤照射后生长抑制率达70，生存期延长超100。该方案突破传统光动力疗法的穿透深度限制（可达厘米级），且因飞秒激光的峰值功率高、热效应低，大幅减少对健康组织的损伤。
在再生医学设备领域，上海光机所技术已走向产业化。海目星公司基于其长波红外飞秒激光技术，开发全球首台毛发再生与胶原再生医疗样机，通过调控激光波长（6–10 μm）选择性加热真皮层胶原纤维，刺激重组而不损伤表皮。目前已完成生物安全性验证，进入临床前试验。同步研发的便携式紫外线光疗仪于2025年获二类医疗器械认证，用于白癜风、银屑病辅助治疗。
精密微纳加工探索
光刻胶性能优化是飞秒激光微纳制造的关键。上海光机所创新提出“非线性溶剂策略”：在线性溶剂（如乙酸乙酯EA）中添加具有双光子吸收特性的非线性溶剂CPon，显著降低光刻胶的多光子聚合阈值（降幅达16–23）。机理研究表明，溶剂分子通过MPA效应产生更多激发态电子，加速引发剂分子解离，从而提升聚合效率（图2）。
进一步地，团队开发甘油辅助飞秒激光直写技术，实现氧化锌纳米结构的无掩模图案化。甘油在前驱体溶液中通过空间位阻效应抑制晶粒过度生长，使氧化锌晶粒尺寸从微米级降至200–500 nm，比表面积提升3倍。基于此制备的光敏探测器暗电流低至pA级，适用于高灵敏度传感。
空气成丝物理机制
高重频飞秒激光大气成丝面临脉冲累加效应导致的能量衰减难题。2024年，上海光机所揭示重频与自聚焦阈值的关联规律：1 kHz重频下的自聚焦阈值比50 Hz低30，因高重频脉冲累积的热效应降低了空气密度，增强克尔自聚焦作用。团队提出双峰拟合法（图1e），通过分析荧光信号峰值位移，将阈值测量误差从传统高斯拟合的±15降至±5。
在强场物理方向，团队系统量化了飞秒激光-固体作用产生电磁脉冲的规律：当脉宽缩至29 fs、功率密度达10¹⁹ W/cm²时，电磁脉冲场强可达MV/m，主频0.25 GHz。该脉冲源于靶材-支撑结构-大地间的瞬态中和电流，可反演激光等离子体相互作用参数。
多学科协同创新
阿秒脉冲同步技术的突破得益于红外飞秒激光的支撑。上海光机所与上海高研院合作，利用气压梯度空芯光纤（HCF）将4 μm中红外飞秒激光压缩至0.4光周期（5.7 fs），作为电子束调制源。该亚周期驱动激光与XFEL装置的阿秒X射线脉冲自然同步，时间抖动<100 as，成功输出580 as、30 GW的孤立X射线脉冲。
在结构化光束领域，团队于2020年首创OPCPA放大结合涡旋相位调制技术，实现4 μm波段10 mJ级飞秒涡旋激光输出，保真度>95。该光源可驱动产生携带轨道角动量的高次谐波，为量子拓扑态研究提供新工具。
从光源革命到交叉学科重塑
上海光机所在红外飞秒激光领域的突破，本质是一场“光源革命”：宽带可调谐技术解决了光谱-能量矛盾，生物应用验证了深层诊疗可行性，而空气成丝机理则为远程大气操控提供新认知。其核心竞争力在于三链融合——创新链（OPA-DFG级联设计）、产业链（医疗设备转化）、学科链（物理-化学-医学交叉）。
未来方向聚焦三点：
正如飞秒激光的瞬时特性，上海光机所以超快节奏将实验室现象转化为技术现实。当红外飞秒之光穿透更多未知领域，其意义不仅是工具革新，更是人类认知边界的又一次量子跃迁。
