Forskare vid Columbia Engineering har visat, för första gången, en chipbaserad dubbelkammspektrometer i mitten av infrarött område, som inte kräver några rörliga delar och kan förvärva spektra på mindre än 2 mikrosekunder. Systemet, som består av två ömsesidigt sammanhängande, lågt ljud, mikroresonatorbaserade frekvenskammar som spänner över 2600 nm till 4100 nm, kan leda till utvecklingen av ett spektroskopi lab-on-a-chip för realtidsavkänning på nanosekundens tidsskala.

"Våra resultat visar den bredaste optiska bandbredd som visats för dubbelkammspektroskopi på en integrerad plattform, "sa Alexander Gaeta, David M. Rickey professor i tillämpad fysik och materialvetenskap och senior författare till studien, publicerad 14 maj i Naturkommunikation .

Skapa en spektroskopisk avkänningsanordning på ett chip som kan realisera i realtid, Hög genomströmningsdetektering av spårmolekyler har varit utmanande. För några månader sedan, lag under ledning av Gaeta och Michal Lipson, Higgins professor i elektroteknik, var de första som miniatyriserade dubbelfrekventa kammar genom att sätta två frekvenskammgeneratorer på ett enda millimeterstort chip. De har arbetat med att bredda frekvensområdet för de dubbla kammarna, och på att öka upplösningen av spektrometern genom att ställa in kamens linjer.

I denna aktuella studie, forskarna fokuserade på mitten av infrarött (mitten av IR), som, eftersom dess starka molekylära absorption normalt är 10 till 1, 000 gånger större än de i det synliga eller nära infraröda, är idealisk för att detektera spårmolekyler. Mitt-IR-intervallet täcker effektivt "fingeravtryck" för många molekyler.

Teamet utförde mid-IR dubbelkammspektroskopi med två nanofotoniska kiselanordningar som mikroresonatorer. Deras integrerade enheter möjliggjorde direktgenerering av bredbandsinfrarött ljus och snabba förvärvshastigheter för att karakterisera molekylär absorption.

"Vårt arbete är ett kritiskt framsteg för chipbaserad dubbelkammspektroskopi för vätske-/fastfasstudier, "sa Mengjie Yu, huvudförfattare till tidningen och en doktorsexamen student i Gaetas labb. "Vårt bredbandsoptiska bredbandssystem, i huvudsak ett fotoniskt lab-on-a-chip, är väl lämpad för identifiering av kemiska arter och kan hitta ett brett spektrum av tillämpningar inom kemi, biomedicin, materialvetenskap, och industriell processkontroll. "

Studien har titeln "Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy."