Chemische verbindingen dragen allemaal kenmerkende absorptie "vingerafdrukken" binnen het midden-infrarode spectrale gebied van 2 tot 12 micron. Dit biedt de mogelijkheid om chemicaliën op extreem gevoelige niveaus te meten en te bestuderen, maar onderzoekers missen de tools, zoals lasers en detectoren, nodig om binnen het midden-infrarood te werken. Onlangs, er is een druk geweest om nieuwe hulpmiddelen te ontwikkelen om deze chemische verbindingen in meer detail te zien en te meten.

Bij een doorbraak, een groep onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology ontwikkelde een on-silicium-chip laserbron met outputs die bestaan ​​uit nauwkeurig gedefinieerde en op gelijke afstand van elkaar geplaatste optische lijnen binnen het midden-infrarode spectrale gebied. Ze rapporteren hun bevindingen in APL Fotonica .

Deze lasers, frequentiekammen genoemd, " fungeren als 'heersers' van het licht en hebben tal van toepassingen - van het overdragen van tijdstandaarden en het verbeteren van GPS-signalen tot precisiespectroscopie, " zei Nima Nader, een postdoctoraal onderzoeker voor NIST.

Voor spectroscopische toepassingen, dit type coherente lichtbron kan door een monstercel gaan die onbekende gassen bevat. Deze gassen absorberen een deel van het licht en laten vingerafdrukken achter op zeer specifieke kamlijnen. Onderzoekers kunnen deze lijnen vergelijken met een database van gassen om de specifieke aanwezige chemicaliën te identificeren.

Achter dit, de coherente aard van de laserbron "maakt het mogelijk om licht over lange afstanden te verspreiden, zodat chemische monsters op afstand kunnen worden bestudeerd, zonder direct contact, ' zei Nader. 'En aangezien frequentiekammen gestabiliseerde laserbronnen zijn, ze kunnen zeer lage niveaus van chemicaliën detecteren en de gevoeligheid van onze metingen verbeteren."

Deze bronnen zijn gefabriceerd op een compacte, op silicium gebaseerd geïntegreerd fotonicaplatform, waarmee honderden apparaten, in dit geval frequentiekammen - te vervaardigen op een enkele matrijs met een klein oppervlak.

"Elk apparaat is ontworpen om een ​​midden-infrarood spectrum van kamachtige optische lijnen met een op maat gemaakte spectrale vorm te genereren, bandbreedte, en optische stroomverdeling, ' zei Nader.

Deze laserbronnen zijn "net zo coherent en geluidsarm als conventionele frequentiekammen die vóór ons werk zijn ontwikkeld, "Zei Nader. "We meldden ook, Voor de eerste keer, dual-kam spectroscopie van een gasmonster met een mid-infrarood frequentiekambron die gebruik maakt van een silicium-fotonisch platform."

Deze ontwikkelingen verbeteren conventionele technieken zoals Fourier-transform-infrarood spectroscopie. Een praktische, breedband, ruisarme mid-infrarood frequentiekam met matig vermogen en ontwikkeld spectrum kan de frequentieprecisie verbeteren, gevoeligheid, en data-acquisitiesnelheden van mid-infraroodspectroscopie.

"Onze door de gebruiker bestuurde en ontwikkelde multiband-spectra zijn ideaal voor toepassingen waarin parallelle multikamwerking gewenst is, zoals puntsensoren voor realtime in situ controle van de chemische synthese, nabij-veld microscopie, en teledetectie, "Zei Nader. "Deze sensoren kunnen de detectiegevoeligheid van tools en technieken zoals ademanalysers, kankerdetectie, het volgen en detecteren van explosieven, en medicijnsynthese monitoring."

De volgende stap is om de optische bandbreedte van NIST's frequentiekammen naar langere infrarode golflengten en hogere optische vermogens te duwen. "We werken ook aan het verminderen van hun voetafdruk en stroomverbruik om compacte systemen te creëren met verbeterde efficiëntie, ' zei Nader.