Ett nytt framsteg lovar att öka känsligheten hos högupplösta spektrometrar som utför kemisk analys med terahertz-våglängder. Denna högre känslighet kan gynna många applikationer, såsom analys av de komplexa gasblandningar som finns i industriella utsläpp och upptäckt av biomarkörer för sjukdomar i patienternas andedräkt. Det kan också leda till nya sätt att upptäcka matförstörelse genom gasdetektering.

I Optica , The Optical Societys (OSA) tidskrift för forskning med hög effekt, forskare under ledning av Gaël Mouret från Université du Littoral-Côte d"Opale i Frankrike rapporterar om en ny högpresterande optisk kavitet för terahertzfrekvenser. De använde denna kavitet för att demonstrera den första övertygande kavitetsförstärkta spektroskopin utförd med terahertzfrekvenser.

Terahertz-frekvenser ligger mellan mikrovågor och infraröda ljusvågor på det elektromagnetiska spektrumet. För spektroskopisk gasanalys, terahertz-frekvenser förbättrar förmågan att skilja mellan molekyler i ett prov och att detektera en mängd olika molekyler. Dock, Tekniken som behövs för att utnyttja dessa frekvenser fullt ut är fortfarande under utveckling.

"Flera studier har använt terahertz-frekvenser för att analysera industrigaser som släpps ut i atmosfären, men de har alla hindrats av bristande känslighet, " sa forskargruppsmedlem Francis Hindle. "Vår nya optiska kavitet kommer att utöka de typer av molekyler som kan identifieras med terahertz gasfasspektroskopi och förbättra den möjliga detektionsnivån."

Ökad känslighet

Forskarna använde nyligen tillgängliga komponenter för att konstruera en optisk terahertz-kavitet med hög finess, ett arrangemang av speglar och en vågledare som begränsar ljuset så att det reflekteras flera gånger. Optiska kaviteter med hög finess uppvisar mycket låg ljusförlust och låter ljuset studsa mellan speglarna fler gånger innan det lämnar kaviteten. De nya komponenterna inkluderade en cirkulär vågledare med låg förlust och två högreflekterande fotoniska speglar speciellt designade för att fungera bra vid terahertz-frekvenser.

För kavitetsförstärkt spektroskopi, en gasblandning placeras i den optiska kaviteten där den interagerar med ljuset inuti. Den nya kaviteten tillåter terahertzvågor att studsa fram och tillbaka cirka 3000 gånger innan de lämnar. Detta innebär att molekyler som analyseras interagerar med terahertz-frekvenserna över ett effektivt avstånd på cirka en kilometer inuti en resonator som bara är 50 centimeter lång. När vågorna studsar runt, de kan absorberas många gånger av alla molekyler som är närvarande, möjliggör en mycket känslig mätning.

"En hålighet med denna finess har inte tidigare varit tillgänglig vid terahertz-frekvenser, ", sa Hindle. "Detta framsteg gör att terahertz-frekvenser kan tillämpas på många mycket känsliga tekniker som redan används i infraröd."

Detekterar sällsynta molekyler

För att demonstrera kavitetsförstärkt spektroskopi av en gas med deras nya enhet, forskarna analyserade ett prov av karbonylsulfidgas, som finns naturligt i atmosfären. Även om gasprovet innehöll många isotoper av karbonylsulfid, forskarna kunde mäta en mycket sällsynt isotop som fanns i en koncentration av bara en molekyl per 50, 000 molekyler. Att mäta förhållandena mellan olika kemiska isotoper i ett prov kan användas för att bestämma källan till en förorening.

Forskarna planerar att utöka frekvensområdet för spektrometern så att den kan användas för att analysera ännu mer komplexa molekyler och blandningar.

"Vår forskning visar att det nu är möjligt att enkelt konstruera högfina terahertzhåligheter och använda dem för mätning av gaser med hög upplösning, ", sa Hindle. "Detta kan bidra till förbättrad övervakning av en stor mängd gaser som finns i mycket låga mängder för tillämpningar från miljö- och industriföroreningar till medicin."