Onderzoekers hebben een geavanceerde spectrometer ontwikkeld die gegevens met uitzonderlijk hoge snelheid kan verzamelen. De nieuwe spectrometer kan nuttig zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder teledetectie, realtime biologische beeldvorming en machinevisie.

Spectrometers meten de kleur van licht dat door een stof wordt geabsorbeerd of uitgestraald. Echter, het gebruik van dergelijke systemen voor complexe en gedetailleerde metingen vereist doorgaans lange data-acquisitietijden.

"Ons nieuwe systeem kan een spectrum in slechts microseconden meten, " zei onderzoeksteamleider Scott B. Papp van het National Institute of Standards and Technology en de University of Colorado, Kei. "Dit betekent dat het kan worden gebruikt voor chemische studies in de dynamische omgeving van energiecentrales of straalmotoren, voor kwaliteitscontrole van geneesmiddelen of halfgeleiders die langs een productielijn vliegen, of voor videobeelden van biologische monsters."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , hoofdauteur David R. Carlson en collega's Daniel D. Hickstein en Papp rapporteren de eerste dual-kam spectrometer met een pulsherhalingsfrequentie van 10 gigahertz. Ze demonstreren het door spectroscopie-experimenten uit te voeren op gassen onder druk en halfgeleiderwafels.

"Het is al bekend dat frequentiekammen nuttig zijn voor spectroscopie, " zei Carlson. "Ons onderzoek is gericht op het bouwen van nieuwe, high-speed frequentiekammen die een spectrometer kunnen maken die honderden keren sneller werkt dan de huidige technologieën."

Sneller gegevens ophalen

Dual-kam spectroscopie maakt gebruik van twee optische bronnen, bekend als optische frequentiekammen die een spectrum van kleuren uitzenden - of frequenties - perfect uit elkaar geplaatst zoals de tanden op een kam. Frequentiekammen zijn handig voor spectroscopie omdat ze toegang bieden tot een breed scala aan kleuren die kunnen worden gebruikt om verschillende stoffen te onderscheiden.

Om een ​​dual-kam spectroscopiesysteem te creëren met extreem snelle acquisitie en een breed scala aan kleuren, de onderzoekers brachten technieken uit verschillende disciplines samen, inclusief nanofabricage, magnetron elektronica, spectroscopie en microscopie.

De frequentiekammen in het nieuwe systeem gebruiken een optische modulator die wordt aangedreven door een elektronisch signaal om een ​​continue laserstraal in een reeks van zeer korte pulsen te snijden. Deze lichtpulsen gaan door nanofotonische niet-lineaire golfgeleiders op een microchip, die tegelijkertijd vele kleuren licht genereert. Deze meerkleurige uitvoer, bekend als een supercontinuüm, kan vervolgens worden gebruikt om nauwkeurige spectroscopiemetingen van vaste stoffen uit te voeren, vloeistoffen en gassen.

De op chips gebaseerde nanofotonische niet-lineaire golfgeleiders waren een belangrijk onderdeel van dit nieuwe systeem. Deze kanalen beperken licht binnen structuren die een centimeter lang zijn maar slechts nanometer breed. Door hun kleine formaat en lage lichtverliezen in combinatie met de eigenschappen van het materiaal waarvan ze zijn gemaakt, kunnen ze licht zeer efficiënt van de ene golflengte naar de andere omzetten om het supercontinuüm te creëren.

"De frequentiekambron zelf is ook uniek in vergelijking met de meeste andere dual-kamsystemen, omdat deze wordt gegenereerd door een continue laserstraal in pulsen te snijden met een elektro-optische modulator, ", aldus Carlson. "Dit betekent dat de betrouwbaarheid en afstembaarheid van de laser uitzonderlijk hoog kan zijn in een breed scala van bedrijfsomstandigheden, een belangrijke functie als we kijken naar toekomstige toepassingen buiten een laboratoriumomgeving."

Analyse van gassen en vaste stoffen

Om de veelzijdigheid van de nieuwe dual-comb spectrometer te demonstreren, de onderzoekers gebruikten het om lineaire absorptiespectroscopie uit te voeren op gassen met verschillende druk. Ze gebruikten het ook in een iets andere configuratie om de geavanceerde analytische techniek uit te voeren die bekend staat als niet-lineaire Raman-spectroscopie op halfgeleidermaterialen. Niet-lineaire Raman-spectroscopie, die lichtpulsen gebruikt om de trillingen van moleculen in een monster te karakteriseren, is niet eerder uitgevoerd met een elektro-optische frequentiekam.

De hoge data-acquisitiesnelheden die mogelijk zijn met elektro-optische kammen die werken met gigahertz-pulsfrequenties, zijn ideaal voor het uitvoeren van spectroscopiemetingen van snelle en niet-herhaalbare gebeurtenissen.

"Het kan mogelijk zijn om de chemische kenmerken te analyseren en vast te leggen tijdens een explosie of verbrandingsgebeurtenis, "zei Carlson. "Evenzo, in biologische beeldvorming zou het vermogen om in realtime beelden van levende weefsels te creëren zonder chemische etikettering enorm waardevol zijn voor biologische onderzoekers."

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de prestaties van het systeem om het praktisch te maken voor toepassingen zoals realtime biologische beeldvorming en om de experimentele opstelling te vereenvoudigen en te verkleinen, zodat het buiten het laboratorium kan worden gebruikt.