En laserbaserad teknik som kan skanna och låsa fast molekylära vibrationssignaler som normalt är för komplexa för att tydligt kunna lösas kan möjliggöra produktion av sensorer för identifiering av flera arter i tuffa miljöer, inklusive industriutsläpp.

De fjäderliknande egenskaperna hos kemiska bindningar får molekyler att skaka och rotera när de stimuleras av infrarött ljus. Mönstren som härrör från dessa excitationer kan unikt identifiera ämnen, särskilt i fingeravtrycksområdet – ett frekvensband som täcker det mellaninfraröda spektrumet. I realistiska miljöer, dock, vibrationer i fingeravtrycksområdet blir suddiga och svåra att lösa på grund av överlappande signaler.

Ett sätt att upptäcka individuella molekylära signaturer är med högprecisionslasrar, men dessa ljuskällor fungerar normalt antingen vid fasta frekvenser eller skannar ett mycket begränsat frekvensområde i det mellersta infraröda bandet. Nu, ett forskargrupp, inklusive Bidoor AlSaif och Aamir Farooq från KAUST, rapporterar att de har övervunnit dessa restriktioner med en avstämbar laser som kan kalibreras genom optiska linjer med lika mellanrum, så kallade frekvenskammar.

Kvantkaskadlasrar använder tunnelövergångar mellan tillverkade nanostrukturer för att generera mitten av infrarött ljus. Genom att konstruera enheterna så att optisk förstärkning sker i en extern, spegelstyrd hålighet, frekvensemissioner kan täcka hela fingeravtrycksområdet. Implementering av dessa funktioner i spektrometrar som skannar och registrerar molekylära vibrationer har hindrats, dock, av det naturliga elektriska bruset från tunnelelektroner.

"Quantkaskadlasrar med extern kavitet tenderar att ha ett högt jitterbeteende, vilket är problematiskt för precisionsspektroskopi, " förklarar AlSaif. "Det är därför vi utvecklade en idé att låsa den mellaninfraröda kvantkaskadlasern till en nära-infraröd frekvenskam."

KAUST-teamet och medarbetare från Italien kombinerade utsläpp av kvantkaskadlaser och frekvenskam med hjälp av en olinjär optisk process som kallas sumfrekvensgenerering som bara visas när två fotoner interagerar starkt. Jittereffekter kan stabiliseras genom övervakning av beat-note-signaler orsakade av skillnader i optiska frekvenser mellan frekvenskammen och den kalibrerade strålen.

För att demonstrera potentiella tillämpningar av spektrometern, forskarna testade enheten på kväveoxidgas (N2O), en atmosfärisk komponent kopplad till både ozonnedbrytning och global uppvärmning. Att övervinna de systematiska jitterbegränsningarna gav slående molekylär upplösning - även svaga rotationssignaler som uppstår när N2O absorberar ljus observerades överlagrade på vibrationsfingeravtrycken.

"Exakta spektroskopiska data är mycket få i det mellaninfraröda området, "säger Farooq." Den här typen av enheter har möjlighet att inte bara göra breda spektralundersökningar, men kommer också att vara mycket användbart i optiska sensorer. "