I en ny artikel publicerad idag Vetenskapliga framsteg , forskare under ledning av Columbia Engineering Professors Michal Lipson och Alexander Gaeta (Applied Physics and Applied Mathematics) har miniatyriserade dubbelfrekventa kammar genom att sätta två frekvenskammgeneratorer på ett enda millimeterstort chip.

"Detta är första gången en dubbelkam genereras på ett enda chip med en enda laser, säger Lipson, Higgins professor i elektroteknik.

En frekvenskam är en speciell typ av ljusstråle med många olika frekvenser, eller "färger, "alla åtskilda från varandra på ett extremt exakt sätt. När detta mångfärgade ljus skickas genom ett kemiskt prov, vissa färger absorberas av provets molekyler. Genom att titta på vilka färger som har absorberats, man kan unikt identifiera molekylerna i provet med hög precision. Denna teknik, känd som frekvenskammspektroskopi, möjliggör molekylärt fingeravtryck och kan användas för att upptäcka giftiga kemikalier i industriområden, att genomföra arbetarskyddskontroller, eller för att övervaka miljön.

"Dubbelkammspektroskopi är denna teknik som sätts på steroider, "säger Avik Dutt, tidigare elev i Lipsons grupp (nu postdoktor vid Stanford) och huvudförfattare till tidningen. "Genom att blanda två frekvenskammar istället för en enda kam, vi kan öka hastigheten med vilken mätningen görs med tusenfaldigt eller mer. "

Arbetet visade också den bredaste frekvensspännvidden för någon dubbelkam på chip, dvs. skillnaden mellan färgerna på lågfrekventa änden och högfrekventa änden är den största. Denna spännvidd gör det möjligt att detektera ett större antal kemikalier med samma enhet, och gör det också lättare att identifiera molekylerna på ett unikt sätt:ju bredare färgutbud i kammen, desto bredare är mångfalden av molekyler som kan se färgerna.

Konventionella dubbelkammspektrometrar, som har införts under det senaste decenniet, är skrymmande bordsskivor, och inte bärbar på grund av deras storlek, kosta, och komplexitet. I kontrast, Columbia Engineering chipskala dubbelkam kan enkelt bäras runt och användas för avkänning och spektroskopi i fältmiljöer i realtid.

"Det finns nu en väg för att försöka integrera hela enheten i en telefon eller en bärbar enhet, "säger Gaeta, Rickey professor i tillämpad fysik och materialvetenskap.

Forskarna miniatyriserade dubbelkammen genom att sätta båda frekvenskammgeneratorerna på ett enda millimeterstort chip. De använde också en enda laser för att generera båda kammarna, snarare än de två lasrarna som används i konventionella dubbla kammar, vilket minskade den experimentella komplexiteten och tog bort behovet av komplicerad elektronik. För att producera små ringar - tiotals mikrometer i diameter - som styr och förbättrar ljuset med ultralåg förlust, laget använde kiselnitrid, ett glasliknande material som de har perfektionerat specifikt för detta ändamål. Genom att kombinera kiselnitrid med platinavärmare, de kunde finjustera ringarna och få dem att fungera parallellt med en enda ingångslaser.

"Kiselnitrid är ett mycket använt material i den kiselbaserade halvledarindustrin som bygger dator-/smartphone-chips, "Lipson -anteckningar." Så, genom att utnyttja denna mogna industris möjligheter, vi kan förutse tillförlitlig tillverkning av dessa dubbelkamflis i massiv skala till en låg kostnad. "

Med denna dubbla kam, Lipsons och Gaetas grupper visade spektroskopi i realtid av den kemiska diklormetanen vid mycket höga hastigheter, över ett brett frekvensområde. Ett allmänt använt organiskt lösningsmedel, diklormetan är rikligt i såväl industriområden som utsläpp från våtmarker. Kemikalien är cancerframkallande, och dess höga flyktighet utgör akuta inandningsrisker. Columbia Engineering är kompakt, chip-skala dubbelkammspektrometer kunde mäta ett brett spektrum av diklormetan på bara 20 mikrosekunder (det finns 1, 000, 000 mikrosekunder på en sekund), en uppgift som skulle ha tagit åtminstone flera sekunder med konventionella spektrometrar.

Till skillnad från de flesta spektrometrar, som fokuserar på gasdetektering, den här nya, miniatyriserad spektrometer är särskilt lämpad för vätskor och fasta ämnen, som har bredare absorptionsegenskaper än gaser? frekvensområdet de absorberar är mer spritt. "Det är vad vår enhet är så bra på att generera, "Förklarar Gaeta." Våra mycket breda dubbla kammar har ett måttligt avstånd mellan de på varandra följande linjerna i frekvenskammen, jämfört med gasspektrometrar som kan komma undan med en mindre bred dubbelkam men behöver ett fint avstånd mellan kamens linjer. "

Teamet arbetar med att bredda frekvensområdet för de dubbla kammarna ytterligare, och på att öka upplösningen av spektrometern genom att ställa in kamens linjer. I en uppsats som publicerades i november förra året i Optics Letters, Gaetas och Lipsons grupper visade några steg mot att visa en ökad upplösning.

"Man kan också tänka sig att integrera inmatningslasern i chipet för ytterligare miniatyrisering av systemet, banar väg för kommersialisering av denna teknik i framtiden, säger Dutt.