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新型激光技术实现微型化学传感器,开拓毫米级微芯片激光检测

2018-12-13 16:25
来源: 微迷网

多数激光器只发射一种颜色的激光,即激光器发射出所有光子的波长相同。然而,也有发射更复杂光的激光器。如果激光器由许多不同频率、均匀间隔的频率分量组成,就像梳齿一样,被称为“频率梳”。频率梳是检测各种化学物质的完美工具。

新型激光技术实现微型化学传感器,开拓毫米级微芯片激光检测

维也纳技术大学(TU Wien)开发的激光系统创造出了一系列均匀间隔的频率光谱(图片来源:TU Wien)

据麦姆斯咨询报道,维也纳技术大学(Vienna University of Technology,简称TU Wien)的这种特殊类型的激光器目前被用于微小空间(毫米级化学实验室)的化学分析。有了这项正在申请专利的新技术,频率梳可实现在单个芯片上以非常简单而可靠的方式创建。这项研究已经发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志。

荣获诺贝尔奖的“频率梳”

频率梳其实已存在多年,2005年的诺贝尔物理学奖就是颁发给它的。该研究项目负责人Benedikt Schwarz解释说:“最令人兴奋的是,用两个频率梳制造光谱仪相对容易。就像声波一样,两个频率相近的音调会产生拍频,我们也可以利用不同频率光谱之间的拍频。我们就使用这种新方法,无需任何活动部件,实现在毫米尺寸开发微型化学实验室。”

TU Wien的频率梳是使用量子级联激光器制造的。这些特殊的激光器是一种由不同层组成的半导体结构。当电流通过该结构时,激光器会发出红外范围内的光。光的属性可以通过调整层结构的几何形状来控制。

该论文的第一作者Johannes Hillbrand这样解释道:“在特定频率电信号的帮助下,我们可以通过控制量子级联激光器,让它们发出一系列耦合在一起的光频率。”这种现象可以让我们联想到摇摆架上的秋千:你可以通过以合适的频率摇晃脚手架来代替推动秋千,从而引起所有秋千以特定耦合模式摆动。“我们技术最大的优势就是利用了频率梳的鲁棒性,”Benedikt Schwarz说。没有这项技术,激光器会对如温度波动或反射等外界不可避免的干扰非常敏感,这些干扰会将部分光线反射回激光器。Schwarz说:“我们的技术实现起来非常容易,因此即使在困难环境中,它也很符合实际应用。基本上,我们需要的元件可在每部手机中找到。”

分子指纹

量子级联激光器在红外范围内产生频率梳的事实至关重要,这是因为许多最重要的分子在该频率范围内最容易被光探测到。“各种空气污染物,以及在医学诊断中扮演重要角色的生物分子,都会吸收非常特定的红外光频率。这通常被称为分子的光学指纹,”Johannes Hillbrand解释道。“因此,当我们测量气体样品吸收了哪些红外频率时,我们就能准确地判断出气体中含有的物质种类。”

实现微芯片激光测量

“由于我们激光器的鲁棒性,因此我们系统与其他所有频率梳技术相比具有决定性的优势:激光系统的微型化很容易实现,”Benedikt Schwarz说,“我们的激光器无需透镜系统,无需移动部件,也不需要光学隔离器,因此必要结构可以做的非常微小。整个测量系统可容纳于毫米尺寸的芯片上。”

这就意味着极大地拓宽了激光系统应用范围:可以把芯片放在无人机上,用于测量空气污染物;可以将芯片贴在墙上,用于建筑物中搜寻爆炸物的踪迹。该芯片还可用于通过分析空气中的化学物质来检测疾病的医疗设备。

这项新技术已申请了专利。Benedikt Schwarz说:“已有许多其他研究团队对我们的系统非常感兴趣。我们希望这个系统不仅能够用于学术研究,并且还能很快用于日常应用。”

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