I ricercatori segnalano il primo spettrometro a doppio pettine con una velocità di acquisizione di 10 gigahertz. La configurazione ottica utilizzata è mostrata qui. Credito:David R. Carlson, National Institute of Standards and Technology e l'Università del Colorado a Boulder
I ricercatori hanno sviluppato uno spettrometro avanzato in grado di acquisire dati a velocità eccezionalmente elevate. Il nuovo spettrometro potrebbe essere utile per una varietà di applicazioni tra cui il telerilevamento, imaging biologico in tempo reale e visione artificiale.
Gli spettrometri misurano il colore della luce assorbita o emessa da una sostanza. Però, l'utilizzo di tali sistemi per misurazioni complesse e dettagliate richiede in genere lunghi tempi di acquisizione dei dati.
"Il nostro nuovo sistema può misurare uno spettro in pochi microsecondi, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Scott B. Papp del National Institute of Standards and Technology e dell'Università del Colorado, Masso. "Ciò significa che potrebbe essere utilizzato per studi chimici nell'ambiente dinamico di centrali elettriche o motori a reazione, per il controllo di qualità di prodotti farmaceutici o semiconduttori che passano su una linea di produzione, o per l'imaging video di campioni biologici."
Nella rivista The Optical Society (OSA) Optics Express , l'autore principale David R. Carlson e i colleghi Daniel D. Hickstein e Papp riportano il primo spettrometro a doppio pettine con una frequenza di ripetizione degli impulsi di 10 gigahertz. Lo dimostrano eseguendo esperimenti di spettroscopia su gas pressurizzati e wafer di semiconduttori.
"I pettini di frequenza sono già noti per essere utili per la spettroscopia, " ha detto Carlson. "La nostra ricerca è focalizzata sulla costruzione di nuovi, pettini di frequenza ad alta velocità che possono creare uno spettrometro che opera centinaia di volte più velocemente delle tecnologie attuali."
Ottenere dati più velocemente
La spettroscopia a doppio pettine utilizza due sorgenti ottiche, noti come pettini di frequenza ottica che emettono uno spettro di colori, o frequenze, perfettamente distanziati come i denti di un pettine. I pettini di frequenza sono utili per la spettroscopia perché forniscono accesso a un'ampia gamma di colori che possono essere utilizzati per distinguere varie sostanze.
Per creare un sistema di spettroscopia a doppio pettine con acquisizione estremamente veloce e un'ampia gamma di colori, i ricercatori hanno riunito tecniche di diverse discipline, compresa la nanofabbricazione, elettronica a microonde, spettroscopia e microscopia.
Le guide d'onda non lineari nanofotoniche basate su chip erano un componente chiave in questo nuovo sistema perché consentivano una conversione molto efficiente della luce da una lunghezza d'onda all'altra per creare il supercontinuo. Qui è mostrato un primo piano del chip della guida d'onda non lineare. Credito:David R. Carlson, National Institute of Standards and Technology e l'Università del Colorado a Boulder
I pettini di frequenza nel nuovo sistema utilizzano un modulatore ottico guidato da un segnale elettronico per ritagliare un raggio laser continuo in una sequenza di impulsi molto brevi. Questi impulsi di luce passano attraverso guide d'onda non lineari nanofotoniche su un microchip, che genera molti colori di luce contemporaneamente. Questa uscita multicolore, noto come supercontinuo, può quindi essere utilizzato per effettuare misurazioni spettroscopiche precise di solidi, liquidi e gas.
Le guide d'onda non lineari nanofotoniche basate su chip erano un componente chiave di questo nuovo sistema. Questi canali confinano la luce all'interno di strutture lunghe un centimetro ma larghe solo nanometri. Le loro piccole dimensioni e le basse perdite di luce combinate con le proprietà del materiale di cui sono fatti consentono loro di convertire la luce da una lunghezza d'onda all'altra in modo molto efficiente per creare il supercontinuo.
"La stessa sorgente a pettine di frequenza è anche unica rispetto alla maggior parte degli altri sistemi a doppio pettine perché è generata intagliando un raggio laser continuo in impulsi con un modulatore elettro-ottico, " ha affermato Carlson. "Ciò significa che l'affidabilità e la regolazione del laser possono essere eccezionalmente elevate in un'ampia gamma di condizioni operative, una caratteristica importante quando si guardano alle applicazioni future al di fuori di un ambiente di laboratorio."
Analisi di gas e solidi
Per dimostrare la versatilità del nuovo spettrometro a doppio pettine, i ricercatori lo hanno utilizzato per eseguire la spettroscopia di assorbimento lineare su gas di pressione diversa. Lo hanno anche utilizzato in una configurazione leggermente diversa per eseguire la tecnica analitica avanzata nota come spettroscopia Raman non lineare su materiali semiconduttori. Spettroscopia Raman non lineare, che utilizza impulsi di luce per caratterizzare le vibrazioni delle molecole in un campione, non è stato precedentemente eseguito utilizzando un pettine di frequenza elettro-ottico.
Le elevate velocità di acquisizione dati possibili con pettini elettro-ottici operanti a impulsi a velocità di gigahertz sono ideali per effettuare misurazioni spettroscopiche di eventi veloci e non ripetibili.
"Potrebbe essere possibile analizzare e catturare le firme chimiche durante un'esplosione o un evento di combustione, " disse Carlson. "Allo stesso modo, nell'imaging biologico la capacità di creare immagini in tempo reale di tessuti viventi senza richiedere l'etichettatura chimica sarebbe immensamente preziosa per i ricercatori biologici".
I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare le prestazioni del sistema per renderlo pratico per applicazioni come l'imaging biologico in tempo reale e per semplificare e ridurre la configurazione sperimentale in modo che possa essere utilizzata al di fuori del laboratorio.
