在今天发表在Science Advances上的一篇新论文中，在哥伦比亚工程学教授Michal Lipson和Alexander Gaeta(应用物理和应用数学)的指导下，研究人员通过将两个频率梳状发生器放在一个毫米大小的芯片上，使双频梳子小型化。
“这是第一次使用单个激光器在单个芯片上生成双梳，”Higgins电气工程教授Lipson说。
频率梳是一种特殊的光束，具有许多不同的频率或“颜色”，它们以极其精确的方式彼此间隔开。当这种多色光通过化学样本发送时，一些颜色被吸收。通过观察哪些颜色被吸收，可以高精度地唯一识别样本中的分子。这种技术称为频率梳光谱，可以进行分子指纹识别，可用于检测工业区域的有毒化学物质，实施职业安全控制，或监测环境。
“双梳光谱是这种技术用于类固醇，”Lipson小组的前学生(现为斯坦福大学的博士后学者)和该论文的第一作者Avik Dutt说。“通过混合两个频率梳而不是单个梳子，我们可以将测量速度提高千倍或更多。”
这项工作还证明了任何片上双梳的最宽频率范围 - 即低频端和高频端的颜色差异最大。这种跨度使得可以使用相同的装置检测更多种化学品，并且还使得更容易唯一地识别分子：梳子中的颜色范围越宽，可以看到颜色的分子的多样性越宽。
在过去十年中引入的传统双梳光谱仪是庞大的桌面仪器，并且由于其尺寸，成本和复杂性而不便携。相比之下，哥伦比亚工程芯片级双梳可以很容易地携带并实时用于现场环境中的传感和光谱。
“现在有一条尝试将整个设备集成到手机或可穿戴设备中的途径，”应用物理和材料科学的Rickey教授加埃塔说。
研究人员将两个频率梳状发生器放在一个毫米大小的芯片上，从而使双梳小型化。他们还使用单个激光器来产生两个梳子，而不是传统双梳子中使用的两个激光器，这降低了实验复杂性并且消除了对复杂电子器件的需求。为了生产直径为数十微米的微小环 - 以超低损耗引导和增强光，该团队使用了氮化硅，这是一种玻璃状材料，专门为此目的而完善。通过将氮化硅与铂加热器相结合，他们能够非常精细地调整环并使它们与单输入激光器串联工作。
“硅氮化物是硅基半导体行业中广泛使用的材料，用于制造计算机/智能手机芯片，”Lipson指出。“因此，通过利用这个成熟行业的能力，我们可以预见到可以以低成本大规模可靠地制造这些双梳芯片。”
使用这种双梳，Lipson和Gaeta的研究小组展示了化学二氯甲烷在很宽的频率范围内以非常高的速度进行实时光谱分析。二氯甲烷是一种广泛使用的有机溶剂，在工业领域和湿地排放中都很丰富。该化学物质具有致癌性，其高挥发性会引起急性吸入危害。哥伦比亚工程公司的紧凑型芯片级双梳光谱仪能够在20微秒内测量出广谱的二氯甲烷(一秒内有1,000,000微秒)，这项任务在传统光谱仪上至少需要几秒钟。
与大多数专注于气体检测的光谱仪相比，这种新型微型光谱仪特别适用于液体和固体，它们具有比气体更广泛的吸收特性 - 它们吸收的频率范围更加分散。“这就是我们的设备如此擅长产生，”加埃塔解释道。“我们非常宽的双梳在频率梳的连续线之间具有适度的间距，与气体光谱仪相比，气体光谱仪可以使用较宽的双梳，但在梳齿线之间需要精细的间距。”
该团队正致力于进一步扩大双梳的频率范围，并通过调整梳齿线来提高光谱仪的分辨率。在去年11月发表在Optics Letters上的一篇论文中，Gaeta和Lipson的小组展示了一些显示提高分辨率的步骤。
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