Kammelys til kemiske fingeraftryk i fortællingen

En laserbaseret teknik, der kan scanne og låse til molekylære vibrationssignaler, der normalt er for komplekse til klart at løse, kunne muliggøre produktion af sensorer til identifikation af flere arter i barske miljøer, herunder industrielle emissioner.

De fjederlignende egenskaber ved kemiske bindinger får molekyler til at ryste og rotere, når de stimuleres af infrarødt lys. Mønstrene som følge af disse excitationer kan entydigt identificere stoffer, især i fingeraftryksområdet-et frekvensbånd, der dækker det mellem-infrarøde spektrum. I realistiske miljøer, imidlertid, vibrationer i fingeraftryksområdet bliver slørede og svære at løse på grund af overlappende signaler.

En måde at registrere individuelle molekylære signaturer på er med højpræcisionslasere, men disse lyskilder fungerer normalt enten ved faste frekvenser eller scanner et meget begrænset frekvensområde i det mellem-infrarøde bånd. Nu, et forskerhold, herunder Bidoor AlSaif og Aamir Farooq fra KAUST, rapporter, der har overvundet disse begrænsninger med en afstembar laser, der kan kalibreres gennem optiske linjer med lige stor afstand, kendt som frekvenskamme.

Quantum cascade lasere bruger tunnelovergange mellem fremstillede nanostrukturer til at generere melleminfrarødt lys. Ved at konstruere enhederne, så optisk forstærkning sker i en ekstern, spejlstyret hulrum, frekvensemissioner kan dække hele fingeraftryksområdet. Implementering af disse funktioner i spektrometre, der scanner og registrerer molekylære vibrationer, er blevet forhindret, imidlertid, ved den naturlige elektriske støj fra tunnelelektroner.

"Eksterne hulrums kvantekaskade -lasere har en tendens til at have en stor rystende adfærd, hvilket er problematisk for præcisionsspektroskopi applikationer, "forklarer AlSaif." Derfor har vi udviklet en idé til at låse den midtinfrarøde kvantekaskadelaser til en nær-infrarød frekvenskam. "

KAUST-teamet og kolleger fra Italien kombinerede emission af kvantekaskadelaser og frekvenskam ved hjælp af en ikke-lineær optisk proces kaldet sumfrekvensgenerering, der kun vises, når to fotoner interagerer stærkt. Jitter-effekter kunne stabiliseres ved at overvåge beat-note signaler forårsaget af forskelle i optiske frekvenser mellem frekvenskammen og den kalibrerede stråle.

For at demonstrere potentielle anvendelser af spektrometeret, forskerne testede enheden på lattergas (N2O), en atmosfærisk komponent knyttet til både ozonnedbrydning og global opvarmning. At overvinde de systematiske rystelsesbegrænsninger gav en slående molekylær opløsning - selv svage rotationssignaler, der opstår, når N2O absorberer lys, blev observeret overlejret på de vibrationsmæssige fingeraftryk.

"Nøjagtige spektroskopiske data er meget knappe i det mellem-infrarøde område, "siger Farooq." Denne type enhed har mulighed for ikke kun at foretage brede spektrale undersøgelser, men vil også være meget nyttig i optiske sensorer. "