Новый метод частотно-гребенчатой спектроскопии

В новой работе, опубликованной в Science Advances, исследователи под руководством профессоров из Columbia Engineering Майкла Липсона и Александра Гаета миниатюрные двух-частотные гребни, помещая два генератора гребенчатых кристаллов на один миллиметровый чип.

«Это первый случай, когда двойная гребенка была создана на одном чипе с использованием одного лазера», — говорит Майкл Липсон, профессор электротехники.

Частотная гребенка — это особый вид светового луча со многими различными частотами, или «цветами», которые разделены друг от друга предельно точно. Когда этот многоцветный свет попадает на изучаемый образец материала, некоторые цвета поглощаются молекулами образца.

Рассматривая, какие цвета были поглощены, можно однозначно идентифицировать молекулы в образце с высокой точностью. Этот метод, известный как частотно-гребенчатая спектроскопия, может использоваться для обнаружения токсичных химических веществ в промышленных зонах, для осуществления контроля безопасности труда или для мониторинга окружающей среды.

Работа также продемонстрировала самый широкий частотный диапазон любой встроенной двойной гребенки, т. е. разница между цветами на низкочастотном и высокочастотным конце является самой большой. Этот диапазон позволяет обнаруживать большее количество химических веществ с помощью одного и того же устройства, а также упрощает уникальную идентификацию молекул: чем шире диапазон цветов в гребенке, тем шире разнообразие молекул, которые могут видеть цвета.

Обычные двухскатные спектрометры, которые были внедрены за последнее десятилетие, представляют собой не переносные, а громоздкие настольные инструменты из-за их размера, стоимости и сложности. Напротив, двойная гребенчатая чип-система Columbia Engineering может легко переноситься и использоваться для зондирования и спектроскопии в полевых условиях в реальном времени.

«В настоящее время существует путь для интеграции всего устройства в телефон или носимое устройство», — говорит Гаета, профессор прикладной физики и материаловедения.

Исследователи миниатюризировали двойную гребенку, поставив оба генератора гребенчатых кристаллов на один миллиметровый чип. Они также использовали один лазер для генерации гребней, а не два лазера, используемых в обычных двойных гребнях, что уменьшало сложность эксперимента и устраняло необходимость в сложной электронике.

Для создания миниатюрных колец диаметром в десятки микрометров, которые направляют и усиливают свет с ультранизкими потерями, команда использовала нитрид кремния, материал, подобный стеклу, специально разработанный для этой цели. Объединив нитрид кремния с платиновыми нагревателями, они смогли очень точно настроить кольца и заставить их работать в тандеме с единственным входным лазером.

Больше информации: «On-chip dual comb source for spectroscopy,» Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.1701858