用单激光产生单芯片的双频梳

在一个新的论文发表在科学进步的今天,哥伦比亚工程教授Michal Lipson和Alexander Gaeta的指导下研究小型化双频率梳把两频率梳发生器在一个毫米大小的芯片。

“这是第一次双梳已经在使用一个单一的激光单芯片产生的,”Lipson说,希金斯电气工程教授。

频率梳是一种特殊的光束,有许多不同的频率,或者说是“颜色”,它们以极其精确的方式彼此隔开。当这种颜色的光通过化学样品传送时,一些颜色被标本的分子吸收。通过观察哪些颜色被吸收,人们可以精确地识别出标本中的分子。这种技术被称为频率梳光谱,可以进行分子指纹识别,可用于检测工业领域的有毒化学品,实施职业安全控制,或监测环境。

“双梳状光谱技术对类固醇,”Avik Dutt说,在他以前的学生(现在的斯坦福大学的博士后学者)和论文的第一作者。“通过混合两频率梳而不是一个单一的梳理,我们可以增加速度的测量是由thousandfolds以上。”

工作也证明了任何片内双comb-i.e.广泛的频率范围,差别颜色的低频和高频端是最大的。这一跨度使用同一装置检测到的各种各样的化学物质变得更加容易,并且更容易唯一地识别分子:更广泛的梳中的颜色范围,更广泛的可以看到颜色的分子的多样性。

传统的双梳光谱仪,在过去的十年中被引入,是笨重的桌面仪器,由于大小、成本和复杂性而不能携带。相比之下,哥伦比亚工程芯片规模的双梳状可以很容易地携带和用于传感和光谱在现场环境中实时。

“现在有一个试图将整个装置到手机或可穿戴设备的路径,”Gaeta说,里基教授,应用物理和材料科学。

研究人员将双频梳状发生器放在一毫米大小的芯片上,使微型梳状微型化。他们还使用一个激光产生两个梳子,而不是传统的双梳中使用的两个激光器,从而降低了实验的复杂性,消除了复杂电子设备的需要。在直径的引导和提高超低损耗光产生微小的戒指几十微米,用氮化硅的团队,一个玻璃样物质他们完善专门为此。通过结合氮化硅和白金加热器,他们能够非常精细地调整环,使它们与单输入激光器同步工作。

“氮化硅是一种广泛使用的材料在硅基半导体产业建立电脑/智能手机芯片,”Lipson说。因此,通过利用这一成熟产业的能力,我们可以预见,以低成本大规模生产这些双梳状芯片是可靠的。

利用这种双梳,他和Gaeta的小组展示化学二氯甲烷实时光谱以非常高的速度,在很宽的频率范围。二氯甲烷是一种广泛使用的有机溶剂,在工业区和湿地排放物中含量丰富。这种化学品是致癌的,它的高挥发性造成急性吸入性危害。哥伦比亚工程公司的紧凑型芯片级双梳状光谱仪能够在短短20微秒内测量宽范围的二氯甲烷(一秒钟有1000000微秒),这项任务至少要用传统光谱仪进行几秒钟。

与大多数专注于气体检测的光谱仪相比,这种新型微型光谱仪特别适合于液体和固体,它们比气体具有更宽的吸收特性,它们吸收的频率范围更广。“这就是我们的设备产生非常好,”Gaeta解释说。“我们非常广泛的双梳子有一个适当的间距之间的频率梳的连续线,相比,气体光谱仪,可以摆脱一个不太广泛的双梳子,但需要一个细间距之间的梳子。

该小组正致力于进一步拓宽双梳的频率范围,并通过调整梳状线来提高分光计的分辨率。在一篇发表于去年十一月的光学快报,Gaeta和他的小组展示了一些步骤,显示增加的分辨率。

“还可以设想将激光输入到芯片的进一步小型化的系统,这项技术在未来的商业化铺平了道路,”Dutt说。

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