多數激光器隻發射一種顏色的激光，即激光器發射出所有光子的波長相同。然而，也有發射更複雜光的激光器。如果激光器由許多不同頻率、均勻間隔的頻率分量組成，就像梳齒一樣，被稱為(wei) “頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學物質的完美工具。

維也納技術大學（TU Wien）開發的激光係統創造出了一係列均勻間隔的頻率光譜（圖片來源：TU Wien）

據麥姆斯谘詢報道，維也納技術大學（Vienna University of Technology，簡稱TU Wien）的這種特殊類型的激光器目前被用於(yu) 微小空間（毫米級化學實驗室）的化學分析。有了這項正在申請專(zhuan) 利的新技術，頻率梳可實現在單個(ge) 芯片上以非常簡單而可靠的方式創建。這項研究已經發表於(yu) 《自然·光子學》（Nature Photonics）雜誌。

榮獲諾貝爾獎的“頻率梳”

頻率梳其實已存在多年，2005年的諾貝爾物理學獎就是頒發給它的。該研究項目負責人Benedikt Schwarz解釋說：“最令人興(xing) 奮的是，用兩(liang) 個(ge) 頻率梳製造光譜儀(yi) 相對容易。就像聲波一樣，兩(liang) 個(ge) 頻率相近的音調會(hui) 產(chan) 生拍頻，我們(men) 也可以利用不同頻率光譜之間的拍頻。我們(men) 就使用這種新方法，無需任何活動部件，實現在毫米尺寸開發微型化學實驗室。”

TU Wien的頻率梳是使用量子級聯激光器製造的。這些特殊的激光器是一種由不同層組成的半導體(ti) 結構。當電流通過該結構時，激光器會(hui) 發出紅外範圍內(nei) 的光。光的屬性可以通過調整層結構的幾何形狀來控製。

該論文的第一作者Johannes Hillbrand這樣解釋道：“在特定頻率電信號的幫助下，我們(men) 可以通過控製量子級聯激光器，讓它們(men) 發出一係列耦合在一起的光頻率。”這種現象可以讓我們(men) 聯想到搖擺架上的秋千：你可以通過以合適的頻率搖晃腳手架來代替推動秋千，從(cong) 而引起所有秋千以特定耦合模式擺動。“我們(men) 技術最大的優(you) 勢就是利用了頻率梳的魯棒性，”Benedikt Schwarz說。沒有這項技術，激光器會(hui) 對如溫度波動或反射等外界不可避免的幹擾非常敏感，這些幹擾會(hui) 將部分光線反射回激光器。Schwarz說：“我們(men) 的技術實現起來非常容易，因此即使在困難環境中，它也很符合實際應用。基本上，我們(men) 需要的元件可在每部手機中找到。”

分子指紋

量子級聯激光器在紅外範圍內(nei) 產(chan) 生頻率梳的事實至關(guan) 重要，這是因為(wei) 許多最重要的分子在該頻率範圍內(nei) 最容易被光探測到。“各種空氣汙染物，以及在醫學診斷中扮演重要角色的生物分子，都會(hui) 吸收非常特定的紅外光頻率。這通常被稱為(wei) 分子的光學指紋，”Johannes Hillbrand解釋道。“因此，當我們(men) 測量氣體(ti) 樣品吸收了哪些紅外頻率時，我們(men) 就能準確地判斷出氣體(ti) 中含有的物質種類。”

實現微芯片激光測量

“由於(yu) 我們(men) 激光器的魯棒性，因此我們(men) 係統與(yu) 其他所有頻率梳技術相比具有決(jue) 定性的優(you) 勢：激光係統的微型化很容易實現，”Benedikt Schwarz說，“我們(men) 的激光器無需透鏡係統，無需移動部件，也不需要光學隔離器，因此必要結構可以做的非常微小。整個(ge) 測量係統可容納於(yu) 毫米尺寸的芯片上。”

這就意味著極大地拓寬了激光係統應用範圍：可以把芯片放在無人機上，用於(yu) 測量空氣汙染物；可以將芯片貼在牆上，用於(yu) 建築物中搜尋爆炸物的蹤跡。該芯片還可用於(yu) 通過分析空氣中的化學物質來檢測疾病的醫療設備。

這項新技術已申請了專(zhuan) 利。Benedikt Schwarz說：“已有許多其他研究團隊對我們(men) 的係統非常感興(xing) 趣。我們(men) 希望這個(ge) 係統不僅(jin) 能夠用於(yu) 學術研究，並且還能很快用於(yu) 日常應用。”