大多數激光隻有一種顏色。它發出的所有光子都具有完全相同的波長。然而，也有激光，其光線更複雜。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(wei) “頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學物質的理想選擇。

在TU Wien(維也納)，這種特殊類型的激光現在用於(yu) 在微小空間進行化學分析 - 它是一個(ge) 毫米級的化學實驗室。利用這項正在申請專(zhuan) 利的新技術，可以以非常簡單和穩健的方式在單個(ge) 芯片上創建頻率梳。這項工作現已在Nature Photonics雜誌上發表。

諾貝爾獎的梳子

頻率梳子已存在多年。2005年，諾貝爾物理學獎獲此殊榮。“關(guan) 於(yu) 它們(men) 的令人興(xing) 奮的事情是，建立一個(ge) 帶有兩(liang) 個(ge) 頻率梳的光譜儀(yi) 相對容易，”研究項目負責人Benedikt Schwarz解釋道。“如果你聽兩(liang) 種頻率相似的不同音調，就可以利用不同頻率之間的節拍，類似於(yu) 聲學中出現的節拍。我們(men) 使用這種新方法，因為(wei) 它不需要任何移動部件，並允許我們(men) 開發一個(ge) 毫米級的微型化學實驗室。“

在維也納技術大學，使用量子級聯激光器產(chan) 生頻率梳。這些特殊激光器是由許多不同層組成的半導體(ti) 結構。當電流通過結構發送時，激光器發射紅外範圍內(nei) 的光。可以通過調整層結構的幾何形狀來控製光的屬性。

“借助於(yu) 特定頻率的電信號，我們(men) 可以控製我們(men) 的量子級聯激光器並使它們(men) 發出一係列光頻率，這些頻率都耦合在一起，”該出版物的第一作者Johannes Hillbrand說。這種現象讓人想起搖擺架上的擺動 - 而不是推動單個(ge) 擺動，可以使腳手架以正確的頻率擺動，導致所有擺動以某些耦合模式振蕩。“我們(men) 技術的最大優(you) 勢是頻率梳的堅固性，”Benedikt Schwarz說。如果沒有這種技術，激光對幹擾非常敏感，這些幹擾在實驗室外是不可避免的 - 例如溫度波動或將一些光線反射回激光的反射。“ 我們(men) 的技術可以很輕鬆地實現，因此即使在困難的環境中也非常適合實際應用。基本上，我們(men) 需要的組件可以在每部手機中找到，“Schwarz說。

分子指紋

量子級聯激光器在紅外範圍內(nei) 產(chan) 生頻率梳的事實是至關(guan) 重要的，因為(wei) 許多最重要的分子可以在該頻率範圍內(nei) 被光檢測到。“各種空氣汙染物，以及在醫學診斷中發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(wei) 分子的光學指紋，”Johannes Hillbrand解釋說。“因此，當我們(men) 測量，哪種紅外頻率被氣體(ti) 樣品吸收時，我們(men) 可以準確地確定它含有哪種物質。”

微芯片中的測量

“由於(yu) 其堅固性，我們(men) 的係統具有超越所有其他頻率梳技術的決(jue) 定性優(you) 勢：它可以輕鬆實現小型化，”Benedikt Schwarz說。“我們(men) 不需要鏡頭係統，沒有移動部件，也沒有光學隔離器，必要的結構很小。整個(ge) 測量係統可以安裝在毫米級的芯片上。”

這產(chan) 生了驚人的應用思路：人們(men) 可以將芯片放在無人機上並測量空氣汙染物。膠粘在牆上的芯片可以搜索建築物中的爆炸物質痕跡。這些芯片可用於(yu) 醫療設備，通過分析呼吸空氣中的化學物質來檢測疾病。

新技術已獲得專(zhuan) 利。“其他研究團隊已經對我們(men) 的係統非常感興(xing) 趣。我們(men) 希望它不僅(jin) 可以用於(yu) 學術研究，還可以用於(yu) 日常應用，”Benedikt Schwarz說。