(Phys.org) – National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstrerat ett nytt instrument i chipskala tillverkat av kolnanorör som kan förenkla absoluta mätningar av lasereffekt, speciellt ljussignalerna som överförs av optiska fibrer i telekommunikationsnät.

Prototypenheten, en miniatyrversion av ett instrument som kallas en kryogen radiometer, är ett silikonchip toppat med cirkulära mattor av kolnanorör som står på ändan. Miniradiometern bygger på NISTs tidigare arbete med nanorör, världens mörkaste kända substans, att göra en ultraeffektiv, mycket exakt optisk effektdetektor, och förstärker NISTs förmåga att mäta lasereffekt som levereras genom fiber för kalibreringskunder.

"Detta är vårt spel för ledarskap inom lasereffektmätningar, " säger projektledaren John Lehman. "Detta är utan tvekan det coolaste vi har gjort med kolnanorör. De är inte bara svarta, men de har också de temperaturegenskaper som behövs för att göra komponenter som elektriska värmare verkligen multifunktionella."

NIST och andra nationella metrologiinstitut runt om i världen mäter laserkraft genom att spåra den till grundläggande elektriska enheter. Radiometrar absorberar energi från ljus och omvandlar det till värme. Sedan mäts den elektriska effekt som behövs för att orsaka samma temperaturökning. NIST-forskare fann att miniradiometern exakt mäter både lasereffekt (förs med den av en optisk fiber) och motsvarande elektrisk effekt inom begränsningarna för den ofullkomliga experimentuppställningen. Testerna utfördes vid en temperatur av 3,9 K, använder ljus vid telekomvåglängden 1550 nanometer.

De små cirkulära skogarna av höga, tunna nanorör som kallas VANTAs ("vertikalt inriktade nanorörsmatriser") har flera önskvärda egenskaper. Viktigast, de absorberar ljus jämnt över ett brett våglängdsområde och deras elektriska motstånd beror på temperaturen. De mångsidiga nanorören utför tre olika funktioner i radiometern. En VANTA-matta fungerar som både ljusabsorbent och elektrisk värmare, och en andra VANTA-matta fungerar som en termistor (en komponent vars elektriska resistans varierar med temperaturen). VANTA-mattorna odlas på det mikrobearbetade silikonchipset, en instrumentdesign som är lätt att modifiera och duplicera. I denna ansökan, de enskilda nanorören är cirka 10 nanometer i diameter och 150 mikrometer långa.

Däremot vanliga kryogena radiometrar använder fler typer av material och är svårare att tillverka. De är vanligtvis handmonterade med en hålighet målad med kol som ljusabsorbent, en elektrisk ledning som värmare, och en halvledare som termistor. Vidare, dessa instrument måste modelleras och karakteriseras i stor omfattning för att justera deras känslighet, medan motsvarande kapacitet i NIST:s miniradiometer lätt mönstras i kislet.

NIST planerar att ansöka om patent på chip-scale radiometer. Enkla förändringar som förbättrad temperaturstabilitet förväntas avsevärt förbättra enhetens prestanda. Framtida forskning kan också handla om att utöka lasereffektområdet till det avlägsna infraröda, och integration av radiometern i en potentiell mångsidig "NIST på ett chip"-anordning.