日本综合研究大学院大学分子科学研究所的研究团队（金井恒人特任讲师、金成翔研究生（综合研究大学院大学）、常川响研究生（综合研究大学院大学）、樱井敦教助教、杉本敏树准教授）成功利用频率比为非整数的“非谐和双色光”，显著增强了在水中产生宽带光的超连续谱生成（Supercontinuum Generation, SCG）。传统方法主要采用单色光或频率比为整数倍的双色光，而本研究通过组合具有非整数频率比的光，实现了非线性光学过程的级联增强，使白光强度提升了约1000倍。
该成果将推动水环境下的尖端光谱技术发展，包括生物组织的光学分析、固液界面动力学观测以及水中电子动力学的阿秒观测等。本研究成果已于2025年10月27日在线发表于国际学术期刊《Optics Letters》。
一、研究背景
当飞秒激光聚焦于水、玻璃或光学晶体等透明介质时，可产生具有宽光谱的白光。这种白光作为超快光谱和生物成像中不可或缺的光源，已被广泛应用。近年来，在固体和气体介质中，通过多色激光激发控制非线性光学过程并增强白光生成的研究进展迅速。然而，在液体介质中，尤其是对于水这一最为常见和基础的介质，利用非整数频率比的多色激光增强白光产生的方法仍鲜有探索。水作为生命现象、功能材料和地球环境中的基础介质，其光学响应的自由调控对于开发新型测量技术和光学功能具有重要意义。
二、研究成果
本研究通过将具有非整数频率比的双色飞秒激光聚焦于水中，成功产生了比传统方法强约1000倍的白光。进一步在使用重水（D₂O）的对照实验中，并未观测到这一显著的增强效应。这表明，该现象是由轻水（H₂O）特有的光学色散特性与光共振条件共同驱动的。
实验中，研究人员将基波1036 nm的激光与其非整数倍频率的种子光（例如1300 nm）同时照射至水中，并使用光谱仪分析所生成的光谱。为理解观测到的白光显著增强的物理起源，研究团队从理论上探讨了相位匹配条件与群速度匹配，揭示了孤子压缩、色散波辐射、四波混频和交叉相位调制等非线性光学过程的协同作用是实现增强的关键机制。
三、未来展望与社会意义
本研究成果作为一种可在水中实现高灵敏度光谱测量的新型光源技术，具有广阔的应用前景。除了推动界面与生物光谱技术的进步外，还有望拓展至水中电子动力学研究等阿秒科学的新领域。此外，该技术亦有望应用于医疗诊断、化学过程传感及光通信基础技术等产业领域。作为基于水这一普遍介质的创新光源技术，本成果将对基础科学与应用技术产生深远影响。
四、术语解释
非谐和双色光
指频率（波长）比为非整数的两束光同时照射所构成的光场。传统上多采用基波与其二次谐波、三次谐波等整数倍频率组合；而本研究通过有意采用非整数频率比组合，实现了对介质中光场干涉与相位关系前所未有的调控。这种非谐和双色激发引发了非线性效应的协同增强，成为白光产生效率显著提升的关键因素。
超连续谱生成
当高强度超短脉冲激光在介质中传播时，多种非线性光学效应同时发生，导致光谱极大展宽形成连续宽谱的现象。所获得的近似白光宽带光源，已成为超快光谱、生物成像与微结构观测等领域不可或缺的工具。
孤子压缩
脉冲光在非线性介质中传播时，非线性效应抵消色散，使脉冲宽度自主压缩的现象。该过程导致脉冲强度急剧升高，形成高光子密度环境。作为本研究中白光产生的初始关键步骤，孤子压缩为后续的色散波辐射与四波混频等非线性过程奠定了基础。
色散波辐射
孤子在介质中传播时，因介质色散特性与孤子非线性相位共振而产生新波长光辐射的现象。这是本研究中超连续谱生成的主要机制之一，非谐和双色激发与水特有的色散特性在其中产生共振协同作用。
四波混频
多个光波在介质中相互作用产生新频率成分的非线性光学过程，是量子通信与光转换器件等众多光学技术的基础现象。在本研究中，双色光的相互作用形成了新的强光成分，对光谱展宽起到了关键作用。
交叉相位调制
多个光脉冲在同一介质中同时传播时，各脉冲通过改变介质折射率调制其他脉冲相位的现象。该效应可引起光谱展宽与时间波形变化，是非谐和双色激发在本研究中发挥效用的重要机制之一。
重水
将普通水中的氢原子替换为重氢原子所形成的物质。尽管其化学结构与水相似，但色散特性存在显著差异。本研究通过对比H₂O与D₂O的实验结果，证实了水特有的色散条件是该增强现象的本质原因。
群速度匹配
不同波长的光脉冲在介质中以相近速度传播的条件。满足该条件可最大化光脉冲间的相互作用，从而有效增强非线性光学效应。这是本研究能够在水中实现强白光产生的关键因素之一。
