使用單個激光器在單晶元上產生了雙頻梳

一種緊湊的集成硅基晶元，用於生成用於超快分子光譜學的雙頻率梳。圖片來源：圖片由A. Dutt，A. Mohanty，E. Shim，G. Patwardhan / Columbia Engineering提供

在今天發表在Science Advances上的一篇新論文中，由哥倫比亞大學工程與應用科學學院教授Michal Lipson和Alexander Gaeta（應用物理與應用數學）領導的研究人員們通過將兩個頻率梳發生器放在一個毫米尺寸的晶元上，使雙頻梳小型化。

「這是第一次使用單個激光器在單個晶元上生成雙梳，」電氣工程教授Lipson, Higgins說到。

頻率梳是一種特殊類型的光束，其具有許多不同的頻率或「顏色」，所有這些光束都以非常精確的方式相互隔開。當這種多色光線通過化學樣品發出時，有些顏色會被樣品的分子吸收。通過查看哪種顏色被吸收，可以高精度地唯一識別標本中的分子。這種稱為頻梳光譜技術的技術能夠實現分子指紋識別，並可用於檢測工業區中的有毒化學物質，實施職業安全控制或監測環境。

「雙梳光譜這種技術可以應用於類固醇，」Lipson小組（現為斯坦福大學的博士後學者）的前學生Avik Dutt說，他是這篇論文的主要作者。「通過混合兩個頻率梳而不是單個頻率梳，我們可以將測量速度提高千倍或更多。」

該工作還展示了任意片上雙梳的最寬頻率跨度，即低頻端和高頻端的顏色差異最大。這種跨度可以使用同一個設備檢測更多種類的化學品，並且更容易唯一地識別分子：頻率梳間的顏色範圍越廣，可以看到顏色的分子的多樣性就越廣泛。

過去十年推出的傳統雙梳光譜儀是一種笨重的桌面儀器，由於其尺寸、成本和複雜性而不便攜。相比之下，哥倫比亞大學工程與應用科學學院的晶元級雙梳可以很容易地攜帶並用於現場環境中的實時感測和光譜學。

「現在有一種方法是嘗試將整個設備集成到手機或可穿戴設備中徑，」應用物理和材料科學教授Gaeta, Rickey說到。

研究人員們通過將兩個頻率梳發生器放置在一個毫米尺寸的晶元上，使雙梳小型化。他們還使用單個激光器產生兩個頻率梳，而不是像傳統產生雙梳的使用兩個激光器的做法，這減少了實驗的複雜性，並消除了對複雜電子元件的需求。為了產生幾十微米直徑的微小環，以極低的損耗引導和增強光線，該團隊使用了氮化硅，這是一種專門為此目的完善的玻璃狀材料。通過將氮化硅與鉑加熱器相結合，他們能夠非常精細地調整環，並使它們與單輸入激光器協同工作。

「氮化硅是硅基半導體工業中廣泛使用的材料，用於製造電腦/智能手機晶元，」 Lipson指出。「因此，通過利用這個成熟產業的功能，我們可以預見這些雙梳晶元的大規模可靠且低成本地製造。」

利用這種雙梳，Lipson和Gaeta的團隊在很寬的頻率範圍內以極高的速度展示了化學藥品二氯甲烷的實時光譜。二氯甲烷一種廣泛使用的有機溶劑，在工業領域和濕地排放物中都很豐富。二氯甲烷致癌，高揮發性可以造成急性吸入危害。哥倫比亞大學工程與應用科學學院的緊湊型晶元級雙梳光譜儀能夠在短短20微秒內測量寬譜二氯甲烷（一秒包含1,000,000微秒），這項任務使用常規光譜儀至少需要幾秒鐘的時間才能完成。

與專註於氣體檢測的大多數光譜儀相反，這種新型小型化的光譜儀特別適用於液體和固體，液體和固體比氣體具有更廣泛的吸收特性，液體和固體吸收的頻率範圍也更加分散。「這正是我們的設備非常擅長的，」Gaeta解釋說。「與氣體光譜儀相比，我們非常寬的雙梳在頻率梳間的連續線之間具有適度的間距，而氣體光譜儀可以用較小寬度的雙梳間距，因此氣體光譜儀需要更精細的梳線間距。」

該團隊正在進一步擴大雙梳的頻率範圍，並通過調整梳線增加分光計的解析度。在去年11月發表在光學通訊上的一篇論文中，Gaeta和Lipson的團隊展示了一些增加解析度的步驟。

「還可以設想將輸入激光器集成到晶元中，以進一步小型化系統，為未來將該技術商業化奠定基礎，」 Dutt說。

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