In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers onder leiding van de Columbia Engineering Professoren Michal Lipson en Alexander Gaeta (Applied Physics and Applied Mathematics) hebben dubbele frequentiekammen geminiaturiseerd door twee frequentiekamgeneratoren op een enkele millimetergrote chip te plaatsen.

"Dit is de eerste keer dat een dubbele kam is gegenereerd op een enkele chip met behulp van een enkele laser, " zegt Lipson, Higgins hoogleraar elektrotechniek.

Een frequentiekam is een speciaal soort lichtstraal met veel verschillende frequenties, of "kleuren, " allemaal op een uiterst nauwkeurige manier van elkaar verwijderd. Wanneer dit veelkleurige licht door een chemisch monster wordt gestuurd, sommige kleuren worden geabsorbeerd door de moleculen van het monster. Door te kijken welke kleuren zijn opgenomen, men kan de moleculen in het monster met hoge precisie op unieke wijze identificeren. Deze techniek, bekend als frequentiekam spectroscopie, maakt moleculaire vingerafdrukken mogelijk en kan worden gebruikt om giftige chemicaliën in industriële gebieden op te sporen, het uitvoeren van controles op het gebied van veiligheid op het werk, of om de omgeving te bewaken.

"Dubbelkam spectroscopie is deze techniek op steroïden, " zegt Avik Dutt, voormalig student in de groep van Lipson (nu een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford) en hoofdauteur van het artikel. "Door twee frequentiekammen te mengen in plaats van een enkele kam, we kunnen de snelheid waarmee wordt gemeten met duizendvoudige of meer verhogen."

Het werk demonstreerde ook de breedste frequentiespanne van alle on-chip dual comb? d.w.z., het verschil tussen de kleuren aan de lage frequentie kant en de hoge frequentie kant is het grootst. Deze spanwijdte maakt het mogelijk een grotere verscheidenheid aan chemicaliën te detecteren met hetzelfde apparaat, en maakt het ook gemakkelijker om de moleculen uniek te identificeren:hoe breder het kleurenpalet in de kam, hoe groter de diversiteit aan moleculen die de kleuren kunnen zien.

Conventionele dual-kam spectrometers, die de afgelopen tien jaar zijn ingevoerd, zijn omvangrijke tafelinstrumenten, en niet draagbaar vanwege hun grootte, kosten, en complexiteit. In tegenstelling tot, de dubbele kam op chipschaal van Columbia Engineering kan gemakkelijk worden meegenomen en in realtime worden gebruikt voor detectie en spectroscopie in veldomgevingen.

"Er is nu een manier om te proberen het hele apparaat te integreren in een telefoon of een draagbaar apparaat, " zegt Gaeta, Rickey hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde.

De onderzoekers miniaturiseerden de dubbele kam door beide frequentiekamgeneratoren op een enkele millimetergrote chip te plaatsen. Ze gebruikten ook een enkele laser om beide kammen te genereren, in plaats van de twee lasers die worden gebruikt in conventionele dubbele kammen, die de experimentele complexiteit verminderde en de noodzaak voor gecompliceerde elektronica wegnam. Om minuscule ringen te produceren - tientallen micrometers in diameter - die licht leiden en verbeteren met ultralaag verlies, het team gebruikte siliciumnitride, een glasachtig materiaal dat ze speciaal voor dit doel hebben geperfectioneerd. Door het siliciumnitride te combineren met platinaverwarmers, ze waren in staat om de ringen zeer fijn af te stemmen en ze samen te laten werken met de laser met enkele invoer.

"Siliciumnitride is een veelgebruikt materiaal in de op silicium gebaseerde halfgeleiderindustrie die computer-/smartphonechips bouwt, ' merkt Lipson op. 'Dus, door gebruik te maken van de mogelijkheden van deze volwassen industrie, we kunnen voorzien in een betrouwbare fabricage van deze dubbele kamchips op grote schaal tegen lage kosten."

Met behulp van deze dubbele kam, Lipson's en Gaeta's groepen demonstreerden real-time spectroscopie van de chemische dichloormethaan bij zeer hoge snelheden, over een breed frequentiebereik. Een veelgebruikt organisch oplosmiddel, dichloormethaan is overvloedig aanwezig in industriële gebieden en in wetlandemissies. De chemische stof is kankerverwekkend, en de hoge vluchtigheid ervan brengt acute inademingsgevaren met zich mee. De compacte, chip-scale dual kam spectrometer was in staat om een ​​breed spectrum van dichloormethaan te meten in slechts 20 microseconden (er zijn 1, 000, 000 microseconden in één seconde), een taak die met conventionele spectrometers minstens enkele seconden zou hebben geduurd.

In tegenstelling tot de meeste spectrometers, die zich richten op gasdetectie, deze nieuwe, geminiaturiseerde spectrometer is vooral geschikt voor vloeistoffen en vaste stoffen, die bredere absorptiekenmerken hebben dan gassen? Het frequentiebereik dat ze absorberen is meer verspreid. "Dat is waar ons apparaat zo goed in is, " legt Gaeta uit. "Onze zeer brede dubbele kammen hebben een matige afstand tussen de opeenvolgende lijnen van de frequentiekam, in vergelijking met gasspectrometers die kunnen wegkomen met een minder brede dubbele kam, maar een fijne afstand tussen de lijnen van de kam nodig hebben."

Het team werkt eraan om het frequentiebereik van de dubbele kammen nog verder te verbreden, en bij het verhogen van de resolutie van de spectrometer door de lijnen van de kam af te stemmen. In een paper dat afgelopen november in Optics Letters werd gepubliceerd, De groepen van Gaeta en Lipson demonstreerden enkele stappen in de richting van een verhoogde resolutie.

"Je zou je ook kunnen voorstellen om de invoerlaser in de chip te integreren om het systeem verder te miniaturiseren, de weg vrijmaken voor de commercialisering van deze technologie in de toekomst, ' zegt Dutt.