Todos los compuestos químicos llevan "huellas dactilares" de absorción distintivas dentro de la región espectral del infrarrojo medio de 2 a 12 micrones. Esto ofrece la oportunidad de medir y estudiar sustancias químicas a niveles extremadamente sensibles, pero los investigadores carecen de las herramientas. como láseres y detectores, necesario para operar dentro del infrarrojo medio. Recientemente, Ha habido un impulso para desarrollar nuevas herramientas que ayuden a ver y medir estos compuestos químicos con mayor detalle.

En un gran avance un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología desarrolló una fuente láser en chip de silicio con salidas que consisten en líneas ópticas definidas con precisión e igualmente espaciadas dentro de la región espectral del infrarrojo medio. Informan sus hallazgos en APL Photonics .

Estos láseres, llamados peines de frecuencia, "actúan como 'gobernantes' de la luz y tienen numerosas aplicaciones, desde la transferencia de estándares de tiempo y la mejora de las señales de GPS hasta la espectroscopia de precisión, "dijo Nima Nader, investigador postdoctoral del NIST.

Para aplicaciones espectroscópicas, este tipo de fuente de luz coherente puede pasar a través de una celda de muestra que contiene gases desconocidos. Estos gases absorben parte de la luz y dejan huellas dactilares en líneas de peine muy específicas. Los investigadores pueden comparar estas líneas con una base de datos de gases para identificar las sustancias químicas específicas presentes.

Más allá de esto, la naturaleza coherente de la fuente láser "permite la propagación de la luz a larga distancia, por lo que las muestras químicas se pueden estudiar de forma remota, sin contacto directo, "Dijo Nader." Y dado que los peines de frecuencia son fuentes láser estabilizadas, pueden detectar niveles muy bajos de sustancias químicas y mejorar la sensibilidad de nuestras mediciones ".

Estas fuentes se fabrican en un compacto, plataforma fotónica integrada basada en silicio, que habilita cientos de dispositivos, en este caso, peines de frecuencia:para fabricar en un solo troquel de área pequeña.

"Cada dispositivo está diseñado para generar un espectro infrarrojo medio de líneas ópticas en forma de peine con una forma espectral personalizada, banda ancha, y distribución de potencia óptica, "Dijo Nader.

Estas fuentes láser son "tan coherentes y silenciosas como los peines de frecuencia convencionales desarrollados antes de nuestro trabajo, "Dijo Nader." También informamos, por primera vez, espectroscopía de doble peine de una muestra de gas con una fuente de peine de frecuencia de infrarrojo medio que explota una plataforma fotónica de silicio ".

Estos desarrollos mejoran las técnicas convencionales como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. Un práctico, banda ancha El peine de frecuencia de infrarrojo medio de bajo ruido con potencia moderada y espectro diseñado puede mejorar la precisión de la frecuencia, sensibilidad, y tasas de adquisición de datos de espectroscopía de infrarrojo medio.

"Nuestros espectros multibanda diseñados y controlados por el usuario son ideales para aplicaciones en las que se desea una operación multicombina en paralelo, como sensores puntuales para el monitoreo de síntesis química in situ en tiempo real, microscopía de campo cercano, y teledetección, ", Dijo Nader." Estos sensores pueden aumentar significativamente la sensibilidad de detección de herramientas y técnicas como los analizadores de aliento, detección de cáncer, rastreo y detección de explosivos, y seguimiento de la síntesis de fármacos ".

El siguiente paso es impulsar el ancho de banda óptico de los peines de frecuencia del NIST a longitudes de onda infrarrojas más largas y potencias ópticas más altas. "También estamos trabajando para reducir su huella y el consumo de energía para crear sistemas compactos con mayor eficiencia, "Dijo Nader.