Dobbeltfrekvenskam genereret på en enkelt chip ved hjælp af en enkelt laser

I et nyt papir offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt , forskere under ledelse af Columbia Engineering Professors Michal Lipson og Alexander Gaeta (Applied Physics and Applied Mathematics) har miniaturiseret dobbeltfrekvenskamme ved at sætte to frekvenskamgeneratorer på en enkelt millimeterstor chip.

"Dette er første gang, der er genereret en dobbelt kam på en enkelt chip ved hjælp af en enkelt laser, "siger Lipson, Higgins professor i elektroteknik.

En frekvenskam er en særlig form for lysstråle med mange forskellige frekvenser, eller "farver, "alle adskilt fra hinanden på en ekstremt præcis måde. Når dette mangefarvede lys sendes gennem en kemisk prøve, nogle farver absorberes af prøvens molekyler. Ved at se på hvilke farver der er blevet absorberet, man kan entydigt identificere molekylerne i prøven med høj præcision. Denne teknik, kendt som frekvenskammespektroskopi, muliggør molekylært fingeraftryk og kan bruges til at opdage giftige kemikalier i industriområder, at gennemføre sikkerhedskontrol på arbejdspladsen, eller for at overvåge miljøet.

"Dual-kam spektroskopi er denne teknik sat på steroider, "siger Avik Dutt, tidligere studerende i Lipsons gruppe (nu postdoktor ved Stanford) og hovedforfatter af papiret. "Ved at blande to frekvenskamme i stedet for en enkelt kam, vi kan øge den hastighed, hvormed måling foretages med tusinde gange eller mere. "

Arbejdet demonstrerede også det bredeste frekvensspænd for enhver on-chip dobbeltkam, dvs. forskellen mellem farverne på lavfrekvensenden og højfrekvensenden er den største. Denne spændvidde gør det muligt at detektere en større række kemikalier med den samme enhed, og gør det også lettere at entydigt identificere molekylerne:jo bredere farveområdet i kammen, jo bredere mangfoldighed af molekyler, der kan se farverne.

Konventionelle dual-kam spektrometre, som er blevet indført i løbet af det sidste årti, er omfangsrige bordplader, og ikke bærbare på grund af deres størrelse, koste, og kompleksitet. I modsætning, Columbia Engineering chipskala dobbelt kam kan let transporteres rundt og bruges til sansning og spektroskopi i feltmiljøer i realtid.

"Der er nu en vej til at prøve at integrere hele enheden i en telefon eller en bærbar enhed, "siger Gaeta, Rickey professor i anvendt fysik og materialevidenskab.

Forskerne miniaturiserede dobbeltkammen ved at sætte begge frekvenskamgeneratorer på en enkelt millimeterstor chip. De brugte også en enkelt laser til at generere begge kamme, frem for de to lasere, der bruges i konventionelle dobbeltkamme, hvilket reducerede den eksperimentelle kompleksitet og fjernede behovet for kompliceret elektronik. At producere små ringe - titalls mikrometer i diameter - der styrer og forstærker lyset med ultralavt tab, holdet brugte siliciumnitrid, et glaslignende materiale, de har perfektioneret specifikt til dette formål. Ved at kombinere siliciumnitrid med platinvarmere, de var i stand til meget fint at indstille ringene og få dem til at fungere sammen med den enkelte inputlaser.

"Siliciumnitrid er et meget udbredt materiale i den siliciumbaserede halvlederindustri, der bygger computer-/smartphone-chips, "Lipson noter." Så, ved at udnytte mulighederne i denne modne industri, vi kan forudse pålidelig fremstilling af disse dual kam -chips i massiv skala til en lav pris. "

Ved hjælp af denne dobbelte kam, Lipsons og Gaetas grupper demonstrerede real-time spektroskopi af det kemiske dichlormethan ved meget høje hastigheder, over et bredt frekvensområde. Et meget udbredt organisk opløsningsmiddel, dichlormethan er rigeligt i industriområder såvel som i vådområder. Kemikaliet er kræftfremkaldende, og dens høje flygtighed udgør akutte farer ved indånding. Columbia Engineering er kompakt, chip-skala dual kam spektrometer var i stand til at måle et bredt spektrum af dichlormethan på bare 20 mikrosekunder (der er 1, 000, 000 mikrosekunder på et sekund), en opgave, der ville have taget mindst flere sekunder med konventionelle spektrometre.

I modsætning til de fleste spektrometre, der fokuserer på gasdetektering, denne nye, miniaturiseret spektrometer er især velegnet til væsker og faste stoffer, som har bredere absorptionsegenskaber end gasser? frekvensområdet, de absorberer, er mere spredt. "Det er det, vores enhed er så god til at generere, "Forklarer Gaeta." Vores meget brede dobbelte kamme har en moderat afstand mellem de på hinanden følgende linjer i frekvenskammen, sammenlignet med gasspektrometre, der kan slippe afsted med en mindre bred dobbelt kam, men har brug for et fint mellemrum mellem kamens linjer. "

Teamet arbejder på at udvide frekvensområdet for de dobbelte kamme yderligere, og om at øge spektrometerets opløsning ved at indstille kamens linjer. I et papir, der blev offentliggjort i november sidste år i Optics Letters, Gaetas og Lipsons grupper demonstrerede nogle skridt i retning af at vise en øget opløsning.

"Man kunne også forestille sig at integrere inputlaseren i chippen til yderligere miniaturisering af systemet, baner vejen for kommercialisering af denne teknologi i fremtiden, "siger Dutt.