De meeste lasers zenden fotonen uit met exact dezelfde golflengte, een enkele kleur produceren. Echter, er zijn ook lasers die uit veel frequenties bestaan, met gelijke tussenpozen, als in de tanden van een kam; dus, ze worden "frequentiekammen" genoemd. Frequentiekammen zijn perfect voor het detecteren van een verscheidenheid aan chemische stoffen.

Aan de TU Wien (Wenen), dit speciale type laserlicht omvat een chemisch laboratorium in millimeterformaat. Met deze nieuwe technologie waarvoor patent is aangevraagd, frequentiekammen kunnen op een enkele chip op een zeer eenvoudige en robuuste manier worden gemaakt. Dit werk is nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

Frequentiekammen bestaan ​​al jaren. In 2005, de innovatie ontving de Nobelprijs voor de natuurkunde. "Het opwindende aan hen is dat het relatief eenvoudig is om een ​​spectrometer te bouwen met twee frequentiekammen, " legt Benedikt Schwarz uit, die het onderzoeksproject leidt. "Het is mogelijk om gebruik te maken van beats tussen verschillende frequenties, vergelijkbaar met die in de akoestiek, als u naar twee verschillende tonen met dezelfde frequentie luistert. We gebruiken deze nieuwe methode, omdat het geen bewegende delen nodig heeft en ons in staat stelt een miniatuur scheikundelab op millimeterschaal te ontwikkelen."

Aan de Technische Universiteit van Wenen, frequentiekammen worden geproduceerd met kwantumcascadelasers. Deze speciale lasers zijn halfgeleiderstructuren die uit vele lagen bestaan. Wanneer elektrische stroom door de structuur wordt gestuurd, de laser straalt licht uit in het infraroodbereik. De eigenschappen van het licht kunnen worden gecontroleerd door de geometrie van de laagstructuur af te stemmen.

"Met behulp van een elektrisch signaal van een bepaalde frequentie, we kunnen onze kwantumcascadelasers besturen en ze een reeks lichtfrequenties laten uitzenden, die allemaal aan elkaar zijn gekoppeld, " zegt Johannes Hillbrand, eerste auteur van de publicatie. Het fenomeen doet denken aan schommels op een schommelframe - in plaats van individuele schommels te duwen, men kan de steiger op de juiste frequentie laten wiebelen, waardoor alle schommelingen oscilleren in bepaalde gekoppelde patronen.

"Het grote voordeel van onze technologie is de robuustheid van de frequentiekam, " zegt Benedikt Schwarz. Zonder deze techniek, de lasers zijn extreem gevoelig voor storingen, die buiten het laboratorium onvermijdelijk zijn, zoals temperatuurschommelingen, of reflecties die een deel van het licht terugsturen naar de laser. "Onze technologie kan met zeer weinig inspanning worden gerealiseerd en is daarom perfect voor praktische toepassingen, zelfs in moeilijke omgevingen. de componenten die we nodig hebben zijn te vinden in elke mobiele telefoon, ' zegt Schwarz.

Het feit dat de kwantumcascadelaser een frequentiekam genereert in het infraroodbereik is cruciaal, omdat veel van de belangrijkste moleculen het beste kunnen worden gedetecteerd door licht in dit frequentiebereik. "Diverse luchtverontreinigende stoffen, maar ook biomoleculen, die een belangrijke rol spelen in de medische diagnostiek, absorberen zeer specifieke infrarood lichtfrequenties. Dit wordt vaak de optische vingerafdruk van het molecuul genoemd, "legt Johannes Hillbrand uit. "Dus, als we meten, welke infraroodfrequenties worden geabsorbeerd door een gasmonster, we kunnen precies zien welke stoffen erin zitten."

Metingen in de microchip

"Vanwege zijn robuustheid, ons systeem heeft een beslissend voordeel ten opzichte van alle andere frequentiekamtechnologieën:het kan gemakkelijk worden geminiaturiseerd, " zegt Benedikt Schwarz. "We hebben geen lenssystemen nodig, geen bewegende delen en geen optische isolatoren, de benodigde structuren zijn klein. Het hele meetsysteem kan op een chip in millimeterformaat worden ondergebracht."

Dit kan spectaculaire toepassingen hebben:chips die op een drone zijn geïnstalleerd, kunnen luchtverontreinigende stoffen meten, bijvoorbeeld. Chips die aan de muur zijn bevestigd, kunnen zoeken naar sporen van explosieve stoffen in gebouwen. Ze kunnen ook worden gebruikt in medische apparatuur om ziekten op te sporen door chemicaliën in de ademlucht te analyseren.

"Andere onderzoeksteams zijn al zeer geïnteresseerd in ons systeem. We hopen dat het binnenkort niet alleen voor academisch onderzoek, maar ook voor maar ook in alledaagse toepassingen, ", zegt Benedikt Schwarz.