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大多數(shù)激光只有一種顏色。它發(fā)出的所有光子都具有完全相同的波長。然而，也有激光，其光線更復(fù)雜。如果它由許多不同的頻率組成，其間具有相等的間隔，就像梳齒一樣，它被稱為“頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學(xué)物質(zhì)的理想選擇。

在TU Wien(維也納)，這種特殊類型的激光現(xiàn)在用于在微小空間進行化學(xué)分析 - 它是一個毫米級的化學(xué)實驗室。利用這項正在申請專利的新技術(shù)，可以以非常簡單和穩(wěn)健的方式在單個芯片上創(chuàng)建頻率梳。這項工作現(xiàn)已在Nature Photonics雜志上發(fā)表。

諾貝爾獎的梳子

頻率梳子已存在多年。2005年，諾貝爾物理學(xué)獎獲此殊榮?！瓣P(guān)于它們的令人興奮的事情是，建立一個帶有兩個頻率梳的光譜儀相對容易，”研究項目負責(zé)人Benedikt Schwarz解釋道。“如果你聽兩種頻率相似的不同音調(diào)，就可以利用不同頻率之間的節(jié)拍，類似于聲學(xué)中出現(xiàn)的節(jié)拍。我們使用這種新方法，因為它不需要任何移動部件，并允許我們開發(fā)一個毫米級的微型化學(xué)實驗室?！?/span>

在維也納技術(shù)大學(xué)，使用量子級聯(lián)激光器產(chǎn)生頻率梳。這些特殊激光器是由許多不同層組成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流通過結(jié)構(gòu)發(fā)送時，激光器發(fā)射紅外范圍內(nèi)的光。可以通過調(diào)整層結(jié)構(gòu)的幾何形狀來控制光的屬性。

“借助于特定頻率的電信號，我們可以控制我們的量子級聯(lián)激光器并使它們發(fā)出一系列光頻率，這些頻率都耦合在一起，”該出版物的第一作者Johannes Hillbrand說。這種現(xiàn)象讓人想起搖擺架上的擺動 - 而不是推動單個擺動，可以使腳手架以正確的頻率擺動，導(dǎo)致所有擺動以某些耦合模式振蕩?！拔覀兗夹g(shù)的最大優(yōu)勢是頻率梳的堅固性，”Benedikt Schwarz說。如果沒有這種技術(shù)，激光對干擾非常敏感，這些干擾在實驗室外是不可避免的 - 例如溫度波動或?qū)⒁恍┕饩€反射回激光的反射?！?我們的技術(shù)可以很輕松地實現(xiàn)，因此即使在困難的環(huán)境中也非常適合實際應(yīng)用。基本上，我們需要的組件可以在每部手機中找到，“Schwarz說。

分子指紋

量子級聯(lián)激光器在紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生頻率梳的事實是至關(guān)重要的，因為許多最重要的分子可以在該頻率范圍內(nèi)被光檢測到。“各種空氣污染物，以及在醫(yī)學(xué)診斷中發(fā)揮重要作用的生物分子，吸收非常特定的紅外光頻率。這通常被稱為分子的光學(xué)指紋，”Johannes Hillbrand解釋說?！耙虼?，當(dāng)我們測量，哪種紅外頻率被氣體樣品吸收時，我們可以準(zhǔn)確地確定它含有哪種物質(zhì)。”

微芯片中的測量

“由于其堅固性，我們的系統(tǒng)具有超越所有其他頻率梳技術(shù)的決定性優(yōu)勢：它可以輕松實現(xiàn)小型化，”Benedikt Schwarz說?！拔覀儾恍枰R頭系統(tǒng)，沒有移動部件，也沒有光學(xué)隔離器，必要的結(jié)構(gòu)很小。整個測量系統(tǒng)可以安裝在毫米級的芯片上?！?/span>

這產(chǎn)生了驚人的應(yīng)用思路：人們可以將芯片放在無人機上并測量空氣污染物。膠粘在墻上的芯片可以搜索建筑物中的爆炸物質(zhì)痕跡。這些芯片可用于醫(yī)療設(shè)備，通過分析呼吸空氣中的化學(xué)物質(zhì)來檢測疾病。

新技術(shù)已獲得專利?！捌渌芯繄F隊已經(jīng)對我們的系統(tǒng)非常感興趣。我們希望它不僅可以用于學(xué)術(shù)研究，還可以用于日常應(yīng)用，”Benedikt Schwarz說。