Een op laser gebaseerde techniek die moleculaire trillingssignalen kan scannen en vastleggen die normaal te complex zijn om duidelijk op te lossen, zou de productie van sensoren voor identificatie van meerdere soorten in ruwe omgevingen mogelijk kunnen maken, inclusief industriële emissies.

De veerachtige eigenschappen van chemische bindingen zorgen ervoor dat moleculen schudden en roteren wanneer ze worden gestimuleerd door infrarood licht. De patronen die het gevolg zijn van deze excitaties kunnen stoffen op unieke wijze identificeren, vooral in het vingerafdrukgebied - een frequentieband die het midden-infraroodspectrum bestrijkt. In realistische omgevingen, echter, trillingen in het vingerafdrukgebied worden wazig en moeilijk op te lossen vanwege overlappende signalen.

Een manier om individuele moleculaire handtekeningen te detecteren is met zeer nauwkeurige lasers, maar deze lichtbronnen werken normaal gesproken ofwel op vaste frequenties of scannen een zeer beperkt frequentiebereik in de midden-infrarode band. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam, waaronder Bidoor AlSaif en Aamir Farooq van KAUST, meldt dat deze beperkingen zijn overwonnen met een afstembare laser die kan worden gekalibreerd via optische lijnen op gelijke afstanden die bekend staan ​​​​als frequentiekammen.

Kwantumcascadelasers gebruiken tunnelovergangen tussen gefabriceerde nanostructuren om midden-infrarood licht te genereren. Door de apparaten zo te construeren dat optische versterking plaatsvindt in een externe, spiegelgestuurde holte, frequentie-emissies kunnen het hele vingerafdrukgebied bestrijken. Het implementeren van deze functies in spectrometers die moleculaire trillingen scannen en registreren, is belemmerd, echter, door de natuurlijke elektrische ruis van tunnelende elektronen.

"Uitwendige holte quantum cascade lasers hebben de neiging om een ​​hoog jittergedrag te hebben, wat problematisch is voor precisiespectroscopietoepassingen, " legt AlSaif uit. "Daarom hebben we een idee ontwikkeld om de midden-infrarode kwantumcascadelaser te vergrendelen op een nabij-infraroodfrequentiekam."

Het KAUST-team en collega's uit Italië combineerden de emissie van kwantumcascadelaser en frequentiekam met behulp van een niet-lineair optisch proces dat somfrequentiegeneratie wordt genoemd en dat alleen optreedt wanneer twee fotonen sterk op elkaar inwerken. Jittereffecten kunnen worden gestabiliseerd door te controleren op beat-note-signalen die worden veroorzaakt door verschillen in optische frequenties tussen de frequentiekam en de gekalibreerde bundel.

Om mogelijke toepassingen van de spectrometer te demonstreren, testten de onderzoekers het apparaat op lachgas (N2O), een atmosferische component die verband houdt met zowel de aantasting van de ozonlaag als de opwarming van de aarde. Het overwinnen van de systematische jitterbeperkingen zorgde voor een opvallende moleculaire resolutie - zelfs zwakke rotatiesignalen die optreden wanneer N2O licht absorbeert, werden gesuperponeerd op de vibrationele vingerafdrukken.

"Nauwkeurige spectroscopische gegevens zijn erg schaars in het midden-infraroodbereik, ", zegt Farooq. "Dit type apparaat heeft de mogelijkheid om niet alleen brede spectrale onderzoeken te doen, maar zal ook zeer nuttig zijn in optische sensoren."