I composti chimici portano tutti "impronte digitali" di assorbimento distintive all'interno della regione spettrale del medio infrarosso da 2 a 12 micron. Questo offre l'opportunità di misurare e studiare le sostanze chimiche a livelli estremamente sensibili, ma i ricercatori non hanno gli strumenti, come laser e rilevatori, necessario per operare nel medio infrarosso. Recentemente, c'è stata una spinta per sviluppare nuovi strumenti per aiutare a vedere e misurare questi composti chimici in modo più dettagliato.

In una svolta, un gruppo di ricercatori del National Institute of Standards and Technology ha sviluppato una sorgente laser su chip di silicio con uscite costituite da linee ottiche definite con precisione e equidistanti all'interno della regione spettrale del medio infrarosso. Riportano i loro risultati in Fotonica APL .

Questi laser, chiamati pettini di frequenza, "agiscono come 'governanti' della luce e hanno numerose applicazioni, dal trasferimento di standard temporali e miglioramento dei segnali GPS alla spettroscopia di precisione, " disse Nima Nader, un ricercatore post-dottorato per il NIST.

Per applicazioni spettroscopiche, questo tipo di sorgente luminosa coerente può passare attraverso una cella campione contenente gas sconosciuti. Questi gas assorbono parte della luce e lasciano impronte su linee di pettine molto specifiche. I ricercatori possono confrontare queste linee con un database di gas per identificare le specifiche sostanze chimiche presenti.

Oltre questo, la natura coerente della sorgente laser "consente la propagazione della luce a lunga distanza in modo che i campioni chimici possano essere studiati a distanza, senza contatto diretto, " disse Nader. "E poiché i pettini di frequenza sono sorgenti laser stabilizzate, possono rilevare livelli molto bassi di sostanze chimiche e migliorare la sensibilità delle nostre misurazioni".

Queste sorgenti sono fabbricate su un compatto, piattaforma fotonica integrata a base di silicio, che abilita centinaia di dispositivi, in questo caso, pettini di frequenza - da fabbricare su un singolo dado di piccola area.

"Ogni dispositivo è progettato per generare uno spettro nel medio infrarosso di linee ottiche a pettine con una forma spettrale su misura, larghezza di banda, e distribuzione di potenza ottica, " ha detto Nadir.

Queste sorgenti laser sono "coerenti e a basso rumore come i pettini di frequenza convenzionali sviluppati prima del nostro lavoro, " Nader ha detto. "Abbiamo anche riferito, per la prima volta, spettroscopia a doppio pettine di un campione di gas con una sorgente a pettine nel medio infrarosso che sfrutta una piattaforma fotonica di silicio".

Questi sviluppi migliorano le tecniche convenzionali come la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier. Un pratico, banda larga, il pettine di frequenza a medio infrarosso a basso rumore con potenza moderata e spettro ingegnerizzato può migliorare la precisione della frequenza, sensibilità, e velocità di acquisizione dati della spettroscopia nel medio infrarosso.

"I nostri spettri multibanda controllati dall'utente e progettati sono ideali per le applicazioni in cui si desidera il funzionamento multicomb parallelo, come i sensori puntuali per il monitoraggio della sintesi chimica in situ in tempo reale, microscopia in campo vicino, e telerilevamento, " Nader ha detto. "Questi sensori possono aumentare significativamente la sensibilità di rilevamento di strumenti e tecniche come gli analizzatori del respiro, rilevamento del cancro, tracciamento e rilevamento di esplosivi, e monitoraggio della sintesi dei farmaci".

Il prossimo passo è spingere la larghezza di banda ottica dei pettini di frequenza del NIST a lunghezze d'onda infrarosse più lunghe e potenze ottiche più elevate. "Stiamo anche lavorando per ridurre il loro ingombro e il consumo energetico per creare sistemi compatti con una maggiore efficienza, " ha detto Nadir.