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首個單光源片上雙頻梳問世

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首個單光源片上雙頻梳問世

發布日期:2018-03-18 作者: 點擊:

       頻率梳是一種特殊類型的光束,具有許多不同的頻率或“顔色”,所有這些光束都以非常精确的方式相互隔開。當這種多色光線通過化學試樣發出時,有些顔色會被試樣的分子吸收。通過查看哪種顔色被吸收,可以高精度地唯一識别标本中的分子。這種稱為頻梳光譜的技術能夠實現分子指紋識别,并可用于檢測工業區中的有毒化學物質,實施職業安全控制或監測環境。

       “雙頻梳光譜學是将這種技術應用于類固醇,”Lipson教授(現為斯坦福大學的博士後學者)的前學生兼該論文的主要作者Avik Dutt說。

       “通過混合兩個頻率梳而不是單個梳子,我們可以将測量速度提高千倍或更多。”

       該工作還展示了片上雙頻梳的最寬頻率跨度,即低頻端和高頻端的最大顔色差異。這種跨度可以使用同一個設備檢測更多種類的化學品,并且更容易唯一地識别分子:頻梳中的顔色範圍越廣,可以看到顔色的分子的多樣性就越廣泛。

       過去十年推出的傳統雙梳理光譜儀是笨重的桌面儀器,由于其尺寸、成本和複雜性而不便攜。相比之下,哥倫比亞工程公司的芯片級雙頻梳可以很容易地被攜帶并用于現場環境中的實時傳感和光譜學。

       “現在有一種方法可嘗試将整個設備集成到手機或可穿戴設備中。”應用物理和材料科學教授Rickey說。

       研究人員通過将兩個頻率梳發生器放置在一個毫米尺寸的芯片上,使雙頻梳小型化。他們還使用單一激光器産生兩個光頻梳,而不是傳統雙頻梳那樣使用兩個激光器,這減少了實驗的複雜性,并消除了對複雜電子元件的需求。為了産生幾十微米直徑的微小環,以極低的損耗引導和增強光線,團隊使用了氮化矽,這是一種專門為此目的完善的玻璃狀材料。通過将氮化矽與鉑加熱器相結合,他們能夠非常精細地調整環,并使它們與單輸入激光器協同工作。

       “氮化矽是矽基半導體工業中廣泛使用的材料,用于制造電腦/智能手機芯片,”Lipson指出。

       “因此,通過利用這個成熟的産業,我們可以預見這些雙頻梳芯片可實現大規模可靠、低成本制造。”


       Lipson和Gaeta的團隊利用這種雙頻梳在很寬的頻率範圍内,以極高的速度展示了化學二氯甲烷的實時光譜。二氯甲烷是一種廣泛使用的有機溶劑,在工業區和濕地排放物中含量都很豐富。該化學品可緻癌,其高揮發性會造成急性吸入危害。哥倫比亞工程公司的緊湊型芯片級雙頻梳光譜儀能夠在短短20微秒内測量廣譜二氯甲烷,采用常規光譜儀完成這項任務至少需要幾秒鐘的時間。

       與專注于氣體檢測的大多數光譜儀相反,這種新型小型化光譜儀特别适用于液體和固體。與氣體相比,固體和液體具有更廣泛的吸收特性,吸收的頻率範圍更加分散。 “這就是我們的設備的優勢所在,”Gaeta解釋說。 “與氣體光譜儀相比,我們超寬頻雙頻梳在梳齒的連續線之間具有适度的間距,而氣體光譜儀若不使用較小頻寬的雙頻梳,則需要梳齒線之間的精細間距。”


       該團隊正在進一步擴大雙頻梳的頻率範圍,并通過調整梳齒線增加分光計的分辨率。在去年11月發表在光學通訊上的一篇論文中,Gaeta和Lipson的團隊展示了一些增加分辨率的步驟。

       “人們還可以設想将輸入激光器集成到芯片中,以進一步小型化系統,為未來将該技術商業化鋪平道路,” Dutt 說。

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