Første chip-skala bredbåndsoptiske system, der kan registrere molekyler i midten af ​​IR

Forskere ved Columbia Engineering har påvist, for første gang, et chip-baseret dual-comb spektrometer i det mellem-infrarøde område, der ikke kræver bevægelige dele og kan erhverve spektre på mindre end 2 mikrosekunder. Systemet, som består af to indbyrdes sammenhængende, støjsvag, mikroresonatorbaserede frekvenskamme, der spænder fra 2600 nm til 4100 nm, kunne føre til udviklingen af ​​et spektroskopi lab-on-a-chip til real-time sensing på nanosekunds tidsskala.

"Vores resultater viser den bredeste optiske båndbredde, der er demonstreret for dual-comb spektroskopi på en integreret platform, " sagde Alexander Gaeta, David M. Rickey professor i anvendt fysik og materialevidenskab og seniorforfatter af undersøgelsen, udgivet 14. maj i Naturkommunikation .

Oprettelse af en spektroskopisk sensorenhed på en chip, der kan realisere realtid, high-throughput detektion af spormolekyler har været udfordrende. For et par måneder siden, hold ledet af Gaeta og Michal Lipson, Higgins professor i elektroteknik, var de første til at miniaturisere dobbeltfrekvenskamme ved at sætte to frekvenskamgeneratorer på en enkelt millimeterstor chip. De har arbejdet på at udvide frekvensområdet for de dobbelte kamme, og på at øge opløsningen af ​​spektrometeret ved at indstille kammens linjer.

I denne aktuelle undersøgelse, forskerne fokuserede på det mellem-infrarøde (mid-IR) område, hvilken, fordi dens stærke molekylære absorption typisk er 10 til 1, 000 gange større end dem i det synlige eller nær-infrarøde, er ideel til påvisning af spormolekyler. Mid-IR-området dækker effektivt "fingeraftrykket" af mange molekyler.

Holdet udførte mid-IR dual-comb spektroskopi ved hjælp af to silicium nanofotoniske enheder som mikroresonatorer. Deres integrerede enheder muliggjorde direkte generering af bredbåndsmidt-infrarødt lys og hurtige optagelseshastigheder til karakterisering af molekylær absorption.

"Vores arbejde er et kritisk fremskridt for chip-baseret dobbeltkam-spektroskopi til flydende/fastfase-studier, " sagde Mengjie Yu, hovedforfatter af papiret og en ph.d. studerende i Gaetas laboratorium. "Vores chip-skala optiske bredbåndssystem, i det væsentlige et fotonisk laboratorium-på-en-chip, er velegnet til identifikation af kemiske arter og kan finde en bred vifte af anvendelser inden for kemi, biomedicin, materiale videnskab, og industriel proceskontrol."

Undersøgelsen har titlen "Silicon-chip-baseret mid-infrarød dual-comb spektroskopi."