Ny laserteknologi til kemiske sensorer i mikrochipstørrelse

De fleste lasere udsender fotoner med nøjagtig samme bølgelængde, producerer en enkelt farve. Imidlertid, der er også lasere, der består af mange frekvenser, med lige store mellemrum imellem, som i tænderne på en kam; dermed, de omtales som "frekvenskamme". Frekvenskamme er perfekte til påvisning af en række kemiske stoffer.

På TU Wien (Wien), denne særlige type laserlys omfatter et kemikalielaboratorium i millimeterformat. Med denne nye patentanmeldte teknologi, frekvenskamme kan oprettes på en enkelt chip på en meget enkel og robust måde. Dette arbejde er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Natur fotonik .

Frekvenskamme har eksisteret i årevis. I 2005, innovationen modtog Nobelprisen i fysik. "Det spændende ved dem er, at det er relativt let at bygge et spektrometer med to frekvenskamme, "forklarer Benedikt Schwarz, der leder forskningsprojektet. "Det er muligt at gøre brug af beats mellem forskellige frekvenser, ligner dem, der forekommer i akustik, hvis du lytter til to forskellige toner med samme frekvens. Vi bruger denne nye metode, fordi det ikke kræver bevægelige dele og giver os mulighed for at udvikle et miniaturekemilaboratorium i en millimeterskala. "

På Wien Universitet for Teknologi, frekvenskamme fremstilles med kvantekaskadelasere. Disse specielle lasere er halvlederstrukturer, der består af mange lag. Når der sendes elektrisk strøm gennem strukturen, laseren udsender lys i det infrarøde område. Lysets egenskaber kan kontrolleres ved at indstille lagstrukturens geometri.

"Ved hjælp af et elektrisk signal med en bestemt frekvens, vi kan styre vores kvantekaskadelasere og få dem til at udsende en række lysfrekvenser, som alle er koblet sammen, "siger Johannes Hillbrand, første forfatter til publikationen. Fænomenet minder om gynger på en gyngestel - i stedet for at skubbe individuelle gynger, man kan få stilladset til at vingle med den rigtige frekvens, får alle svingninger til at svinge i visse koblede mønstre.

"Den store fordel ved vores teknologi er robustheden af ​​frekvenskammen, "siger Benedikt Schwarz. Uden denne teknik, laserne er ekstremt følsomme over for forstyrrelser, som er uundgåelige uden for laboratoriet - såsom temperatursvingninger, eller refleksioner, der sender noget af lyset tilbage i laseren. "Vores teknologi kan realiseres med meget lille indsats og er derfor perfekt til praktiske applikationer, selv i vanskelige miljøer. Grundlæggende de komponenter, vi har brug for, kan findes i hver mobiltelefon, "siger Schwarz.

Det faktum, at kvantekaskadelaseren genererer en frekvenskam i det infrarøde område, er afgørende, fordi mange af de vigtigste molekyler bedst kan detekteres af lys i dette frekvensområde. "Forskellige luftforurenende stoffer, men også biomolekyler, som spiller en vigtig rolle inden for medicinsk diagnostik, absorbere meget specifikke infrarøde lysfrekvenser. Dette kaldes ofte molekylets optiske fingeraftryk, "forklarer Johannes Hillbrand." Så, når vi måler, hvilke infrarøde frekvenser absorberes af en gasprøve, vi kan præcist fortælle, hvilke stoffer det indeholder. "

Målinger i mikrochippen

"På grund af sin robusthed, vores system har en afgørende fordel i forhold til alle andre frekvenskamteknologier:det kan let miniatureres, "siger Benedikt Schwarz." Vi har ikke brug for linsesystemer, ingen bevægelige dele og ingen optiske isolatorer, de nødvendige strukturer er små. Hele målesystemet kan rummes på en chip i millimeterformat. "

Dette kan have spektakulære applikationer:Chips installeret på en drone kan måle luftforurenende stoffer, for eksempel. Chips fastgjort til væggen kunne søge efter spor af eksplosive stoffer i bygninger. De kan også bruges i medicinsk udstyr til at opdage sygdomme ved at analysere kemikalier i åndedrætsluften.

"Andre forskerhold er allerede meget interesserede i vores system. Vi håber, at det snart vil blive brugt ikke kun i akademisk forskning, men også i daglige applikationer, ”siger Benedikt Schwarz.