De flesta lasrar sänder ut fotoner med exakt samma våglängd, producerar en enda färg. Dock, det finns också lasrar som består av många frekvenser, med lika intervall däremellan, som i tänderna på en kam; Således, de kallas "frekvenskammar". Frekvenskammar är perfekta för att upptäcka en mängd olika kemiska ämnen.

Vid TU Wien (Wien), denna speciella typ av laserljus består av ett kemilabb i millimeterformat. Med denna nya patentsökta teknologi, frekvenskammar kan skapas på ett enda chip på ett mycket enkelt och robust sätt. Detta arbete har nu presenterats i tidskriften Nature Photonics .

Frekvenskammar har funnits i flera år. Under 2005, innovationen fick Nobelpriset i fysik. "Det spännande med dem är att det är relativt enkelt att bygga en spektrometer med två frekvenskammar, " förklarar Benedikt Schwarz, som leder forskningsprojektet. "Det är möjligt att använda beats mellan olika frekvenser, liknande de som förekommer inom akustik, om du lyssnar på två olika toner med liknande frekvens. Vi använder denna nya metod, eftersom det inte kräver några rörliga delar och gör att vi kan utveckla ett miniatyrkemilabb i millimeterskala."

Vid Wiens tekniska universitet, frekvenskammar tillverkas med kvantkaskadlasrar. Dessa speciella lasrar är halvledarstrukturer som består av många lager. När elektrisk ström skickas genom strukturen, lasern avger ljus i det infraröda området. Ljusets egenskaper kan styras genom att ställa in lagerstrukturens geometri.

"Med hjälp av en elektrisk signal av en specifik frekvens, vi kan styra våra kvantkaskadlasrar och få dem att avge en serie ljusfrekvenser, som alla är sammankopplade, säger Johannes Hillbrand, publikationens första författare. Fenomenet påminner om gungor på en gungande ram – istället för att trycka på individuella gungor, man kan få ställningen att vackla med rätt frekvens, vilket får alla svängningar att svänga i vissa kopplade mönster.

"Den stora fördelen med vår teknik är robustheten hos frekvenskammen, säger Benedikt Schwarz. Utan denna teknik, lasrarna är extremt känsliga för störningar, som är oundvikliga utanför labbet – som temperaturfluktuationer, eller reflektioner som skickar tillbaka en del av ljuset in i lasern. "Vår teknik kan realiseras med mycket liten ansträngning och är därför perfekt för praktiska tillämpningar även i svåra miljöer. de komponenter vi behöver finns i varje mobiltelefon, säger Schwarz.

Det faktum att kvantkaskadlasern genererar en frekvenskam i det infraröda området är avgörande, eftersom många av de viktigaste molekylerna bäst kan detekteras av ljus i detta frekvensområde. "Olika luftföroreningar, men också biomolekyler, som spelar en viktig roll i medicinsk diagnostik, absorberar mycket specifika infraröda ljusfrekvenser. Detta kallas ofta för molekylens optiska fingeravtryck, "förklarar Johannes Hillbrand. "Så, när vi mäter, vilka infraröda frekvenser som absorberas av ett gasprov, vi kan säga exakt vilka ämnen den innehåller."

Mått i mikrochippet

"På grund av dess robusthet, vårt system har en avgörande fördel gentemot alla andra frekvenskamteknologier:det kan enkelt miniatyriseras, " säger Benedikt Schwarz. "Vi behöver inga linssystem, inga rörliga delar och inga optiska isolatorer, de nödvändiga strukturerna är små. Hela mätsystemet kan rymmas på ett chip i millimeterformat."

Detta kan ha spektakulära tillämpningar:Chips installerade på en drönare kan mäta luftföroreningar, till exempel. Spån fästa på väggen kan söka efter spår av explosiva ämnen i byggnader. De skulle också kunna användas i medicinsk utrustning för att upptäcka sjukdomar genom att analysera kemikalier i andningsluften.

"Andra forskarlag är redan mycket intresserade av vårt system. Vi hoppas att det snart kommer att användas inte bara i akademisk forskning, men också i vardagliga applikationer, säger Benedikt Schwarz.