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用于微芯片尺寸化學(xué)傳感器的新型激光技術(shù)
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/12/17

維也納工業(yè)大學(xué)開發(fā)的激光系統(tǒng)可產(chǎn)生許多頻率,且它們之間的間距相等。


大多數(shù)激光器發(fā)射的光子具有完全相同的波長,從而產(chǎn)生單一顏色。但是,也有一些激光由很多頻率組成,它們之間的間隔相等,就像梳子的牙齒一樣。因此,它們被稱為“頻率梳”。頻率梳非常適合檢測各種化學(xué)物質(zhì)。


在TU維也納(維也納),這種特殊類型的激光 光包括毫米波格式化學(xué)實驗室。借助這項正在申請專利的新技術(shù),可以以非常簡單和強(qiáng)大的方式在單個芯片上創(chuàng)建頻率梳。這項工作現(xiàn)已在《自然光子學(xué)》雜志上發(fā)表。


頻率梳已經(jīng)存在多年了。2005年,這項創(chuàng)新獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。研究項目負(fù)責(zé)人Benedikt Schwarz解釋說:“關(guān)于它們的令人興奮的事情是,用兩個頻率梳來構(gòu)建光譜儀相對容易。“如果您聆聽具有相似頻率的兩個不同音調(diào),則有可能利用不同頻率之間的節(jié)拍,類似于聲學(xué)中發(fā)生的節(jié)拍。我們使用這種新方法,因為它不需要任何運(yùn)動部件,并且使我們能夠建立毫米級的微型化學(xué)實驗室。”


在維也納工業(yè)大學(xué),頻率梳是用量子級聯(lián)激光器產(chǎn)生的。這些特殊的激光器是由許多層組成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流通過結(jié)構(gòu)時,激光會發(fā)出紅外范圍內(nèi)的光?梢酝ㄟ^調(diào)整圖層結(jié)構(gòu)的幾何形狀來控制光的屬性。


該出版物的第一作者Johannes Hillbrand說:“借助特定頻率的電信號,我們可以控制量子級聯(lián)激光器,并使它們發(fā)出一系列耦合在一起的光頻率。” 這種現(xiàn)象讓人聯(lián)想到搖擺架上的搖擺,而不是推動單個搖擺,而是可以使腳手架以正確的頻率擺動,從而導(dǎo)致所有搖擺以某些耦合模式振蕩。


Benedikt Schwarz說:“我們技術(shù)的最大優(yōu)勢是頻率梳的堅固性! 沒有這種技術(shù),激光器對實驗室外部不可避免的干擾非常敏感,例如溫度波動或反射,這些反射會將一些光反射回激光器。Schwarz說:“我們的技術(shù)可以非常輕松地實現(xiàn),因此即使在困難的環(huán)境中也非常適合實際應(yīng)用;旧,我們需要的組件可以在每部手機(jī)中找到!

維也納工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊:Benedikt Schwarz,Aaron Maxwell Andrews,Gottfried Strasser,Johannes Hillbrand,Hermann Detz(從左到右)。


量子級聯(lián)激光器在紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生頻率梳的事實至關(guān)重要,因為許多最重要的分子可以最好地被該頻率范圍內(nèi)的光檢測到。約翰內(nèi)斯·希爾布蘭德解釋說:“在醫(yī)學(xué)診斷中起重要作用的各種空氣污染物以及生物分子,吸收非常特定的紅外光頻率。這通常被稱為分子的光學(xué)指紋。” “因此,當(dāng)我們測量氣體樣品吸收的紅外頻率時,我們可以準(zhǔn)確分辨出其中包含的物質(zhì)。”


微芯片中的測量

Benedikt Schwarz說:“由于其堅固性,我們的系統(tǒng)相對于所有其他頻率梳技術(shù)具有決定性的優(yōu)勢:可以輕松地使其小型化! “我們不需要透鏡系統(tǒng),沒有移動部件,也沒有光學(xué)隔離器,所需的結(jié)構(gòu)很小。整個測量系統(tǒng)可以容納在毫米格式的芯片上!


這可能具有驚人的應(yīng)用:例如,安裝在無人機(jī)上的芯片可以測量空氣污染物。貼在墻上的碎屑可以搜索建筑物中爆炸性物質(zhì)的痕跡。它們還可以用于醫(yī)療設(shè)備中,通過分析呼吸空氣中的化學(xué)物質(zhì)來檢測疾病。


Benedikt Schwarz說:“其他研究團(tuán)隊已經(jīng)對我們的系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣。我們希望它很快將不僅用于學(xué)術(shù)研究中,而且還將用于日常應(yīng)用中!


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