a, Configuración experimental para TCS. PD, fotodetector. B, La generación de una señal FWM. El primer pulso del peine 1 (azul), que es un pulso complejo de fase conjugada (E1 *), crea una coherencia entre el estado fundamental y un estado excitado (la evolución de una sola resonancia se muestra en azul claro); el segundo pulso del peine 2 (negro) convierte esta coherencia en una población del estado excitado y luego convierte esta población en una coherencia de tercer orden que irradia una señal FWM, que para un sistema ampliado no homogéneamente es un eco de fotones (rojo). A continuación, la señal FWM se heterodina con el peine del oscilador local. E1 *, E2 y E3 son los campos eléctricos de los pulsos 1, 2 y 3, respectivamente. eyg corresponden a estados de tierra y excitados de un sistema de dos niveles. Crédito: Fotónica de la naturaleza (2018). DOI:10.1038 / s41566-018-0267-4
Investigadores de la Universidad de Michigan han perfeccionado un dispositivo detector de gases para que pueda detectar gases venenosos y explosivos en menos de medio segundo.
El método basado en láser podría usarse como un dispositivo de seguridad en los aeropuertos o para monitorear contaminantes o toxinas en el medio ambiente. Los hallazgos de los físicos se basan en un método que desarrollaron el año pasado que detecta gases en unos cuatro o cinco minutos. El dispositivo actual utiliza tres láseres para acortar significativamente el tiempo de detección. Su investigación actualizada se publica en Fotónica de la naturaleza .
"La gran ventaja es que puede realizar esta detección con un método mucho más simple, mucho más compacto, dispositivo mucho más robusto, y al mismo tiempo, puede hacer esta detección mucho más rápido y con mucho menos tiempo de adquisición, "dijo Steven Cundiff, el autor principal del proyecto y el profesor Harrison M. Randall de Física en la Facultad de Literatura, Ciencias, y las artes.
"Esto es fundamental para que el dispositivo sea práctico. Si supervisa el entorno, debe hacerlo razonablemente rápido debido a las fluctuaciones en el medio ambiente. No conviene esperar cinco minutos para averiguar si algo contiene una toxina ".
Los gases tienen ciertas longitudes de onda que se pueden leer con láseres. El primer dispositivo de Cundiff y de la investigadora en física Bachana Lomsadze utilizó un método llamado "espectroscopia coherente multidimensional, "o MDCS. MDCS utiliza pulsos de láser ultracortos para leer estas longitudes de onda como códigos de barras. La longitud de onda particular de un gas identifica el tipo de gas que es.
Muchos gases tienen espectros muy ricos para determinadas longitudes de onda, o colores, de luz, aunque los "colores" pueden estar en el infrarrojo, por lo que no es visible para el ojo humano. Estos espectros los hacen fácilmente identificables. Pero esto se vuelve difícil cuando los científicos intentan identificar gases en una mezcla. En el pasado, los científicos confiaban en comparar sus medidas con un catálogo de moléculas, un proceso que requiere computadoras de alto rendimiento y una cantidad significativa de tiempo.
El método anterior de Cundiff usaba MDCS con otro método llamado espectroscopia de doble peine para acortar el tiempo de detección a esos cuatro o cinco minutos. Los peines de frecuencia son fuentes de láser que generan espectros que consisten en líneas nítidas igualmente espaciadas. Estas líneas se utilizan como reglas para medir las características espectrales de átomos y moléculas, identificándolos con extrema precisión. En espectroscopia de doble peine, los láseres envían pulsos de luz en diferentes patrones para escanear rápidamente las huellas dactilares de los gases.
Ahora, Cundiff y Lomsadze han agregado otra capa de detección láser para reducir aún más ese tiempo de detección, utilizando un método que han denominado "espectroscopia de triple peine". Esta es también la primera vez que se demuestra la espectroscopia de triple peine, Dice Cundiff.
El grupo de investigación agregó un tercer láser y emparejó los láseres con un software que puede programar el patrón de pulsos de luz que emiten los láseres. Los láseres están sincronizados entre sí para generar pulsos de luz, de modo que los láseres escanean constantemente para identificar gases.
Así es como funciona el dispositivo:dos láseres envían pulsos de luz en la misma dirección que se combinan en un solo haz. Este rayo pasa a través de un vapor de gas, y después de que el rayo atraviese el vapor, se combina con el rayo de un tercer láser. Luego, el rayo final golpea un detector de señales que mide los espectros de la mezcla de gases e identifica los gases. Si bien esta demostración utilizó láseres "hechos en casa" que no son particularmente compactos ni robustos, láseres equivalentes disponibles comercialmente miden aproximadamente 10 pulgadas por cuatro pulgadas por dos pulgadas.
Similar a su trabajo el año pasado, Lomsadze y Cundiff probaron su método en un vapor de átomos de rubidio que contenía dos isótopos de rubidio. La diferencia de frecuencia entre las líneas de absorción para los dos isótopos es demasiado pequeña para ser observada utilizando enfoques tradicionales de MDCS. pero usando peines, Lomsadze y Cundiff pudieron resolver estas líneas y asignar los espectros de los isótopos en función de cómo se acoplaron los niveles de energía entre sí. Su método es general y se puede utilizar para identificar productos químicos en una mezcla sin conocer previamente la composición de la mezcla.
Cundiff espera implementar el dispositivo en la tecnología de fibra óptica existente, y controlar los pulsos de láser con software. De esa manera, el software se puede adaptar a entornos particulares.
"Este es un paso hacia el objetivo de la espectroscopia reconfigurable por software, ", Dijo Cundiff." Esto es similar a la tecnología de radio reconfigurable por software, en el que el mismo hardware se puede utilizar para diferentes aplicaciones, como un teléfono celular o un receptor de FM, simplemente cargando software diferente ".
