Forskare har utvecklat en avancerad spektrometer som kan samla in data med exceptionellt hög hastighet. Den nya spektrometern kan vara användbar för en mängd olika applikationer inklusive fjärranalys, biologisk avbildning i realtid och maskinseende.

Spektrometrar mäter färgen på ljus som absorberas eller emitteras från ett ämne. Dock, att använda sådana system för komplexa och detaljerade mätningar kräver vanligtvis långa datainsamlingstider.

"Vårt nya system kan mäta ett spektrum på bara mikrosekunder, " sa forskargruppsledaren Scott B. Papp från National Institute of Standards and Technology och University of Colorado, Flyttblock. "Detta betyder att den kan användas för kemiska studier i den dynamiska miljön av kraftverk eller jetmotorer, för kvalitetskontroll av läkemedel eller halvledare som flyger förbi på en produktionslinje, eller för videoavbildning av biologiska prover."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , huvudförfattaren David R. Carlson och kollegorna Daniel D. Hickstein och Papp rapporterar om den första dubbelkamspektrometern med en pulsrepetitionsfrekvens på 10 gigahertz. De demonstrerar det genom att utföra spektroskopiexperiment på trycksatta gaser och halvledarskivor.

"Frekvenskammar är redan kända för att vara användbara för spektroskopi, " sa Carlson. "Vår forskning är inriktad på att bygga nya, höghastighetsfrekvenskammar som kan göra en spektrometer som fungerar hundratals gånger snabbare än nuvarande teknik."

Få data snabbare

Dubbelkamspektroskopi använder två optiska källor, kända som optiska frekvenskammar som avger ett spektrum av färger – eller frekvenser – perfekt fördelade som tänderna på en kam. Frekvenskammar är användbara för spektroskopi eftersom de ger tillgång till ett brett spektrum av färger som kan användas för att särskilja olika ämnen.

För att skapa ett dubbelkammigt spektroskopisystem med extremt snabb insamling och ett brett utbud av färger, forskarna sammanförde tekniker från flera olika discipliner, inklusive nanotillverkning, mikrovågselektronik, spektroskopi och mikroskopi.

Frekvenskammarna i det nya systemet använder en optisk modulator som drivs av en elektronisk signal för att skapa en kontinuerlig laserstråle i en sekvens av mycket korta pulser. Dessa ljuspulser passerar genom nanofotoniska olinjära vågledare på ett mikrochip, som genererar många ljusfärger samtidigt. Denna flerfärgsutgång, känt som ett superkontinuum, kan sedan användas för att göra exakta spektroskopimätningar av fasta ämnen, vätskor och gaser.

De chipbaserade nanofotoniska olinjära vågledarna var en nyckelkomponent i detta nya system. Dessa kanaler begränsar ljuset i strukturer som är en centimeter långa men bara nanometer breda. Deras ringa storlek och låga ljusförluster i kombination med egenskaperna hos materialet de är gjorda av gör att de kan omvandla ljus från en våglängd till en annan mycket effektivt för att skapa superkontinuumet.

"Frekvenskamkällan i sig är också unik jämfört med de flesta andra dubbelkamssystem eftersom den genereras genom att skära en kontinuerlig laserstråle till pulser med en elektrooptisk modulator, ", sa Carlson. "Detta betyder att tillförlitligheten och inställningsförmågan hos lasern kan vara exceptionellt hög över ett brett spektrum av driftsförhållanden, en viktig egenskap när man tittar på framtida tillämpningar utanför en laboratoriemiljö."

Analysera gaser och fasta ämnen

För att demonstrera mångsidigheten hos den nya dubbelkamspektrometern, forskarna använde den för att utföra linjär absorptionsspektroskopi på gaser med olika tryck. De använde den också i en något annorlunda konfiguration för att utföra den avancerade analytiska tekniken känd som olinjär Raman-spektroskopi på halvledarmaterial. Icke-linjär Raman-spektroskopi, som använder ljuspulser för att karakterisera vibrationerna hos molekyler i ett prov, har inte tidigare utförts med en elektrooptisk frekvenskam.

De höga datainsamlingshastigheterna som är möjliga med elektrooptiska kammar som arbetar med gigahertz-pulshastigheter är idealiska för att göra spektroskopimätningar av snabba och icke-repeterbara händelser.

"Det kan vara möjligt att analysera och fånga de kemiska signaturerna under en explosion eller förbränningshändelse, sade Carlson. På samma sätt, inom biologisk avbildning skulle förmågan att skapa bilder i realtid av levande vävnader utan att kräva kemisk märkning vara oerhört värdefull för biologiska forskare."

Forskarna arbetar nu med att förbättra systemets prestanda för att göra det praktiskt för tillämpningar som biologisk avbildning i realtid och för att förenkla och krympa experimentuppställningen så att den kan användas utanför labbet.