Onderzoekers van Columbia Engineering hebben aangetoond, Voor de eerste keer, een op chips gebaseerde dual-kam spectrometer in het midden-infraroodbereik, dat geen bewegende delen vereist en spectra kan verwerven in minder dan 2 microseconden. Het systeem, die bestaat uit twee onderling samenhangende, geluidsarm, op microresonator gebaseerde frequentiekammen van 2600 nm tot 4100 nm, zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van een spectroscopie lab-on-a-chip voor real-time detectie op nanoseconden tijdschaal.

"Onze resultaten tonen de breedste optische bandbreedte die is aangetoond voor dual-comb spectroscopie op een geïntegreerd platform, " zei Alexander Gaeta, David M. Rickey Professor of Applied Physics and of Materials Science en senior auteur van de studie, gepubliceerd 14 mei in Natuurcommunicatie .

Het creëren van een spectroscopisch meetapparaat op een chip dat real-time, high-throughput detectie van sporenmoleculen is een uitdaging geweest. Een paar maanden geleden, teams onder leiding van Gaeta en Michal Lipson, Higgins hoogleraar Elektrotechniek, waren de eersten die kammen met dubbele frequentie miniaturiseerden door twee frequentiekamgeneratoren op een enkele millimetergrote chip te plaatsen. Ze hebben gewerkt aan het verbreden van het frequentiebereik van de dubbele kammen, en bij het verhogen van de resolutie van de spectrometer door de lijnen van de kam af te stemmen.

In deze huidige studie, de onderzoekers concentreerden zich op het midden-infrarood (midden-IR) bereik, die, omdat zijn sterke moleculaire absorptie typisch 10 tot 1 is 000 keer groter dan die in het zichtbare of nabij-infrarood, is ideaal voor het detecteren van sporenmoleculen. Het mid-IR-bereik dekt effectief de "vingerafdruk" van veel moleculen.

Het team voerde mid-IR dual-comb spectroscopie uit met behulp van twee silicium nanofotonische apparaten als microresonatoren. Hun geïntegreerde apparaten maakten de directe generatie van breedband mid-infrarood licht en hoge acquisitiesnelheden mogelijk voor het karakteriseren van moleculaire absorptie.

"Ons werk is een cruciale vooruitgang voor op chips gebaseerde dual-kam spectroscopie voor vloeistof-/vastefase-onderzoeken, " zei Mengjie Yu, hoofdauteur van het papier en een Ph.D. student in Gaeta's lab. "Ons breedband optisch systeem op chipschaal, in wezen een fotonisch lab-on-a-chip, is zeer geschikt voor de identificatie van chemische soorten en zou een breed scala aan toepassingen in de chemie kunnen vinden, biologie, materiaal wetenschap, en industriële procescontrole."

De studie is getiteld "Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopie."