微型量子级联激光器频率梳为化学传感提供强大的解决方案
维也纳科技大学(TU Wien)的研究人员正在研究激光频率梳,以便在芯片上进行化学分析。这项正在申请专利的新技术将能够以简单并且稳健的方式在单个芯片上制造出频率梳。研究人员Benedikt Schwarz表示:“建立一个带有两个频率梳的光谱仪相对容易,如果你听两种频率相似的不同音调,就可以利用不同频率之间的节拍,类似于声学中出现的节拍。我们使用这种不需要任何移动部件的新方法,开发了一个毫米量级的‘微型化学实验室’。”
维也纳科技大学开发的激光系统能够输出多个频率,它们之间的频率间隔相等。图片来源:维也纳科技大学。
维也纳科技大学的研究团队使用量子级联激光器(QCL)产生所需要的频率梳。这些激光器是由许多不同层组成的半导体结构。当电流通过这些半导体结构时,激光器发射出红外波段的光,调整层结构的几何形状能够控制输出激光的属性。研究人员Johannes Hillbrand表示:“在特定频率的电信号的帮助下,我们能够控制我们的量子级联激光器并使它们发出一系列光频率,它们都相互耦合在一起。”研究人员将这种现象与摇摆的框架进行了比较。如果框架以正确的频率摆动,则所有摆动将以某些耦合图案振荡,而不是单独振荡。如果没有这种技术,激光器将对实验室环境外的干扰非常敏感,例如温度波动或光线反射。
Schwarz表示:“我们技术的最大优势是频率梳的稳健性,我们的系统比其他所有的频率梳技术具有决定性优势:它可以轻松实现小型化。我们不需要镜头系统,没有活动部件和光学隔离器,所需要的结构很少。”整个测量系统可以安装在毫米级的芯片上,研究人员创建了一个仅由注入锁定的双梳芯片、透镜和反射镜组成的原型机以展示使用他们的方法实现片上双梳光谱的潜力。他们证明了重复频率的相干电注入锁定到稳定的射频振荡器,并且表明注入锁定的量子级联激光器频谱可以是锁相的,从而产生频率梳。他们还表明,注入锁定可以减轻光学反馈的影响。
维也纳科技大学研究团队成员:Benedikt Schwarz,Aaron Maxwell Andrews,Gottfried Strasser,Johannes Hillbrand和Hermann Detz(从左到右)。图片来源:维也纳科技大学。
Schwarz表示:“我们的技术可以很轻松地实现,因此即使在困难的环境中也非常适合实际应用,因为我们需要的组件非常简单易得。”另一个优点是量子级联激光器在红外范围内产生频率梳,其中可以最容易地检测许多最重要的分子。Hillbrand表示:“各种空气污染物,以及在医学诊断中发挥重要作用的生物分子,都会吸收非常特定的红外光频率,因此当我们测量到某种红外线频率被气体样品吸收时,我们能够准确地确定它含有哪种物质。”
维也纳科技大学的研究成果可以为中红外光谱仪的小型化和全固态化开辟道路。例如,可以将芯片放置在无人机上以测量空气污染物。粘在墙上的芯片可以搜索建筑物中的爆炸物质痕迹。该芯片还可用于医疗设备,通过分析呼吸空气中的化学物质来检测疾病。
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