Двухчастотная гребенка, генерируемая на одном кристалле с использованием одного лазера: инженеры Колумбии первыми уменьшили двухчастотные гребенки, поместив два частотных гребенчатых генератора на один миллиметровый кремниевый кристалл; может привести к недорогим портативным датчикам и спектроскопии в полевых условиях в режиме реального времени

«Это первый случай создания двойной гребенки на одном кристалле с использованием одного лазера», — говорит Липсон, профессор электротехники Хиггинса.Частотная гребенка — это особый вид светового луча с множеством разных частот или «цветов», расположенных друг от друга чрезвычайно точно. Когда этот многоцветный свет проходит через химический образец, некоторые цвета поглощаются молекулами образца. Посмотрев, какие цвета были поглощены, можно однозначно идентифицировать молекулы в образце с высокой точностью.

Этот метод, известный как частотно-гребенчатая спектроскопия, позволяет снимать молекулярные отпечатки пальцев и может использоваться для обнаружения токсичных химикатов в промышленных зонах, для обеспечения безопасности труда или для мониторинга окружающей среды.«Двойная гребенчатая спектроскопия — это метод, применяемый на стероидах», — говорит Авик Датт, бывший студент группы Липсона (ныне докторант в Стэнфорде) и ведущий автор статьи. «Смешивая две частотные гребенки вместо одной, мы можем увеличить скорость выполнения измерений в тысячу и более раз».

Работа также продемонстрировала самый широкий частотный диапазон любой двойной гребенки на кристалле, то есть разница между цветами на низкочастотном и высокочастотном концах является наибольшей. Этот диапазон позволяет обнаруживать большее количество различных химических веществ с помощью одного и того же устройства, а также упрощает однозначную идентификацию молекул: чем шире диапазон цветов в гребенке, тем шире разнообразие молекул, которые могут видеть цвета.Обычные спектрометры с двумя гребенчатыми гребенками, появившиеся на рынке за последнее десятилетие, представляют собой громоздкие настольные приборы, которые нельзя переносить из-за своего размера, стоимости и сложности.

Напротив, двойную гребенку Columbia Engineering в масштабе микросхемы можно легко носить с собой и использовать для зондирования и спектроскопии в полевых условиях в реальном времени.«Теперь есть возможность попытаться интегрировать все устройство в телефон или носимое устройство», — говорит Гаэта, профессор прикладной физики и материаловедения Рики.

Исследователи уменьшили двойную гребенку, поместив оба генератора частотных гребенок на один чип размером в миллиметр. Они также использовали один лазер для генерации обоих гребней вместо двух лазеров, используемых в обычных двойных гребнях, что упростило эксперимент и устранило необходимость в сложной электронике.

Чтобы создать крошечные кольца диаметром в десятки микрометров, которые направляют и усиливают свет со сверхнизкими потерями, команда использовала нитрид кремния, стеклоподобный материал, который они усовершенствовали специально для этой цели. Объединив нитрид кремния с платиновыми нагревателями, они смогли очень точно настроить кольца и заставить их работать в тандеме с лазером с одним входом.

«Нитрид кремния — широко используемый материал в полупроводниковой промышленности на основе кремния, из которой изготавливаются микросхемы компьютеров / смартфонов», — отмечает Липсон. «Таким образом, используя возможности этой зрелой отрасли, мы можем предвидеть надежное производство этих чипов с двойной гребенкой в ​​массовом масштабе по низкой цене».Используя эту двойную гребенку, группы Липсона и Гаэты продемонстрировали спектроскопию химического дихлорметана в реальном времени на очень высоких скоростях и в широком диапазоне частот.

Дихлорметан, широко используемый органический растворитель, широко используется в промышленных зонах, а также в выбросах водно-болотных угодий. Химическое вещество является канцерогенным, а его высокая летучесть представляет серьезную опасность при вдыхании. Компактный двойной гребенчатый спектрометр Columbia Engineering в масштабе чипа был способен измерять широкий спектр дихлорметана всего за 20 микросекунд (1000000 микросекунд в одной секунде), задача, на которую с обычными спектрометрами ушло бы не менее нескольких секунд.В отличие от большинства спектрометров, которые ориентированы на обнаружение газов, этот новый миниатюрный спектрометр особенно подходит для жидкостей и твердых тел, которые имеют более широкие характеристики поглощения, чем газы — диапазон частот, которые они поглощают, более широкий. «Это то, что так хорошо получается у нашего устройства», — объясняет Гаэта. «Наши очень широкие двойные гребенки имеют умеренное расстояние между последовательными линиями частотной гребенки по сравнению с газовыми спектрометрами, которые могут обходиться менее широкой двойной гребенкой, но требуют небольшого расстояния между линиями гребенки».

Команда работает над дальнейшим расширением диапазона частот двойных гребенок и над увеличением разрешения спектрометра за счет настройки линий гребенки. В статье, опубликованной в ноябре прошлого года в журнале Optics Letters, группы Гаэты и Липсона продемонстрировали некоторые шаги в направлении увеличения разрешения.

«Можно также представить себе интеграцию входного лазера в чип для дальнейшей миниатюризации системы, что проложит путь для коммерциализации этой технологии в будущем», — говорит Датт.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *