Forskere demonstrerer rekordhastighed med avanceret spektroskopiteknik

Forskere har udviklet et avanceret spektrometer, der kan indsamle data med usædvanlig høj hastighed. Det nye spektrometer kan være nyttigt til en række applikationer, herunder fjernmåling, biologisk billeddannelse i realtid og maskinsyn.

Spektrometre måler farven på lys absorberet eller udsendt fra et stof. Imidlertid, Brug af sådanne systemer til komplekse og detaljerede målinger kræver typisk lange dataindsamlingstider.

"Vores nye system kan måle et spektrum på blot mikrosekunder, " sagde forskerholdsleder Scott B. Papp fra National Institute of Standards and Technology og University of Colorado, Kampesten. "Dette betyder, at det kan bruges til kemiske undersøgelser i det dynamiske miljø af kraftværker eller jetmotorer, til kvalitetskontrol af lægemidler eller halvledere, der flyver forbi på en produktionslinje, eller til videobilleddannelse af biologiske prøver."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , hovedforfatter David R. Carlson og kollegerne Daniel D. Hickstein og Papp rapporterer om det første dual-comb spektrometer med en pulsgentagelseshastighed på 10 gigahertz. De demonstrerer det ved at udføre spektroskopi-eksperimenter på tryksatte gasser og halvlederwafers.

"Frekvenskamme er allerede kendt for at være nyttige til spektroskopi, " sagde Carlson. "Vores forskning er fokuseret på at bygge nye, højhastigheds frekvenskamme, der kan lave et spektrometer, der fungerer hundredvis af gange hurtigere end nuværende teknologier."

Få data hurtigere

Dobbeltkam spektroskopi bruger to optiske kilder, kendt som optiske frekvenskamme, der udsender et spektrum af farver – eller frekvenser – perfekt fordelt som tænderne på en kam. Frekvenskamme er nyttige til spektroskopi, fordi de giver adgang til en bred vifte af farver, der kan bruges til at skelne mellem forskellige stoffer.

For at skabe et dobbeltkammet spektroskopisystem med ekstrem hurtig registrering og en bred vifte af farver, forskerne samlede teknikker fra flere forskellige discipliner, herunder nanofabrikation, mikrobølge elektronik, spektroskopi og mikroskopi.

Frekvenskammene i det nye system bruger en optisk modulator drevet af et elektronisk signal til at skære en kontinuerlig laserstråle ind i en sekvens af meget korte impulser. Disse lysimpulser passerer gennem nanofotoniske ikke-lineære bølgeledere på en mikrochip, som genererer mange farver af lys samtidigt. Dette flerfarvede output, kendt som et superkontinuum, kan derefter bruges til at foretage præcise spektroskopiske målinger af faste stoffer, væsker og gasser.

De chip-baserede nanofotoniske ikke-lineære bølgeledere var en nøglekomponent i dette nye system. Disse kanaler begrænser lyset i strukturer, der er en centimeter lange, men kun nanometer brede. Deres lille størrelse og lave lystab kombineret med egenskaberne af det materiale, de er lavet af, gør det muligt for dem at konvertere lys fra en bølgelængde til en anden meget effektivt for at skabe superkontinuummet.

"Frekvenskamkilden i sig selv er også unik sammenlignet med de fleste andre dual-comb-systemer, fordi den genereres ved at skære en kontinuerlig laserstråle ind i impulser med en elektro-optisk modulator, " sagde Carlson. "Dette betyder, at pålideligheden og tunerbarheden af ​​laseren kan være usædvanlig høj på tværs af en lang række driftsforhold, en vigtig egenskab, når man ser på fremtidige applikationer uden for et laboratoriemiljø."

Analyse af gasser og faste stoffer

For at demonstrere alsidigheden af ​​det nye dual-comb spektrometer, forskerne brugte det til at udføre lineær absorptionsspektroskopi på gasser med forskelligt tryk. De betjente det også i en lidt anderledes konfiguration for at udføre den avancerede analytiske teknik kendt som ikke-lineær Raman-spektroskopi på halvledermaterialer. Ikke-lineær Raman-spektroskopi, som bruger lysimpulser til at karakterisere vibrationerne af molekyler i en prøve, er ikke tidligere udført med en elektro-optisk frekvenskam.

De høje dataindsamlingshastigheder, der er mulige med elektro-optiske kamme, der opererer ved gigahertz-pulshastigheder, er ideelle til at foretage spektroskopiske målinger af hurtige og ikke-gentagelige hændelser.

"Det kan være muligt at analysere og fange de kemiske signaturer under en eksplosion eller forbrændingshændelse, sagde Carlson. På samme måde, i biologisk billeddannelse vil evnen til at skabe billeder i realtid af levende væv uden at kræve kemisk mærkning være uhyre værdifuld for biologiske forskere."

Forskerne arbejder nu på at forbedre systemets ydeevne for at gøre det praktisk til applikationer som biologisk billeddannelse i realtid og for at forenkle og formindske den eksperimentelle opsætning, så den kan betjenes uden for laboratoriet.