用于微芯片尺寸化學傳感器的新型激光技術

來源:創視網    關鍵詞:化學傳感器, 激光技術,    發布時間:2019-04-03

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大多數激光只有一種顏色。它發出的所有光子都具有完全相同的波長。然而,也有激光,其光線更復雜。如果它由許多不同的頻率組成,其間具有相等的間隔,就像梳齒一樣,它被稱為“頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學物質的理想選擇。

在TU Wien(維也納),這種特殊類型的激光現在用于在微小空間進行化學分析 - 它是一個毫米級的化學實驗室。利用這項正在申請專利的新技術,可以以非常簡單和穩健的方式在單個芯片上創建頻率梳。這項工作現已在Nature Photonics雜志上發表。

諾貝爾獎的梳子

頻率梳子已存在多年。2005年,諾貝爾物理學獎獲此殊榮?!瓣P于它們的令人興奮的事情是,建立一個帶有兩個頻率梳的光譜儀相對容易,”研究項目負責人Benedikt Schwarz解釋道?!叭绻懵爟煞N頻率相似的不同音調,就可以利用不同頻率之間的節拍,類似于聲學中出現的節拍。我們使用這種新方法,因為它不需要任何移動部件,并允許我們開發一個毫米級的微型化學實驗室?!?/span>

在維也納技術大學,使用量子級聯激光器產生頻率梳。這些特殊激光器是由許多不同層組成的半導體結構。當電流通過結構發送時,激光器發射紅外范圍內的光??梢酝ㄟ^調整層結構的幾何形狀來控制光的屬性。

“借助于特定頻率的電信號,我們可以控制我們的量子級聯激光器并使它們發出一系列光頻率,這些頻率都耦合在一起,”該出版物的第一作者Johannes Hillbrand說。這種現象讓人想起搖擺架上的擺動 - 而不是推動單個擺動,可以使腳手架以正確的頻率擺動,導致所有擺動以某些耦合模式振蕩?!拔覀兗夹g的最大優勢是頻率梳的堅固性,”Benedikt Schwarz說。如果沒有這種技術,激光對干擾非常敏感,這些干擾在實驗室外是不可避免的 - 例如溫度波動或將一些光線反射回激光的反射?!?我們的技術可以很輕松地實現,因此即使在困難的環境中也非常適合實際應用?;旧?,我們需要的組件可以在每部手機中找到,“Schwarz說。

分子指紋

量子級聯激光器在紅外范圍內產生頻率梳的事實是至關重要的,因為許多最重要的分子可以在該頻率范圍內被光檢測到?!案鞣N空氣污染物,以及在醫學診斷中發揮重要作用的生物分子,吸收非常特定的紅外光頻率。這通常被稱為分子的光學指紋,”Johannes Hillbrand解釋說?!耙虼?,當我們測量,哪種紅外頻率被氣體樣品吸收時,我們可以準確地確定它含有哪種物質?!?/span>

微芯片中的測量

“由于其堅固性,我們的系統具有超越所有其他頻率梳技術的決定性優勢:它可以輕松實現小型化,”Benedikt Schwarz說?!拔覀儾恍枰R頭系統,沒有移動部件,也沒有光學隔離器,必要的結構很小。整個測量系統可以安裝在毫米級的芯片上?!?/span>

這產生了驚人的應用思路:人們可以將芯片放在無人機上并測量空氣污染物。膠粘在墻上的芯片可以搜索建筑物中的爆炸物質痕跡。這些芯片可用于醫療設備,通過分析呼吸空氣中的化學物質來檢測疾病。

新技術已獲得專利?!捌渌芯繄F隊已經對我們的系統非常感興趣。我們希望它不僅可以用于學術研究,還可以用于日常應用,”Benedikt Schwarz說。

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