Los investigadores informan del primer espectrómetro de doble peine con una velocidad de adquisición de 10 gigahercios. La configuración óptica que utilizaron se muestra aquí. Crédito:David R. Carlson, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado en Boulder
Los investigadores han desarrollado un espectrómetro avanzado que puede adquirir datos con una velocidad excepcionalmente alta. El nuevo espectrómetro podría ser útil para una variedad de aplicaciones, incluida la teledetección, Imágenes biológicas en tiempo real y visión artificial.
Los espectrómetros miden el color de la luz absorbida o emitida por una sustancia. Sin embargo, El uso de estos sistemas para mediciones complejas y detalladas generalmente requiere tiempos de adquisición de datos prolongados.
"Nuestro nuevo sistema puede medir un espectro en solo microsegundos, "dijo el líder del equipo de investigación Scott B. Papp del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado, Roca. "Esto significa que podría utilizarse para estudios químicos en el entorno dinámico de centrales eléctricas o motores a reacción, para el control de calidad de productos farmacéuticos o semiconductores que pasan volando en una línea de producción, o para imágenes de video de muestras biológicas ".
En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , El autor principal, David R. Carlson, y sus colegas Daniel D. Hickstein y Papp informan sobre el primer espectrómetro de doble peine con una frecuencia de repetición de pulsos de 10 gigahercios. Lo demuestran realizando experimentos de espectroscopia sobre gases presurizados y obleas semiconductoras.
"Ya se sabe que los peines de frecuencia son útiles para la espectroscopia, ", dijo Carlson." Nuestra investigación se centra en la construcción de nuevos peines de frecuencia de alta velocidad que pueden hacer un espectrómetro que funcione cientos de veces más rápido que las tecnologías actuales ".
Obtener datos más rápido
La espectroscopia de doble peine utiliza dos fuentes ópticas, conocidos como peines de frecuencia óptica que emiten un espectro de colores, o frecuencias, perfectamente espaciados como los dientes de un peine. Los peines de frecuencia son útiles para la espectroscopia porque brindan acceso a una amplia gama de colores que se pueden usar para distinguir varias sustancias.
Para crear un sistema de espectroscopia de doble peine con una adquisición extremadamente rápida y una amplia gama de colores, los investigadores reunieron técnicas de varias disciplinas diferentes, incluida la nanofabricación, electrónica de microondas, espectroscopía y microscopía.
Las guías de ondas nanofotónicas no lineales basadas en chips fueron un componente clave en este nuevo sistema porque permitieron una conversión muy eficiente de la luz de una longitud de onda a otra para crear el supercontinuo. Aquí se muestra un primer plano del chip de guía de ondas no lineal. Crédito:David R. Carlson, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado en Boulder
Los peines de frecuencia en el nuevo sistema utilizan un modulador óptico impulsado por una señal electrónica para tallar un rayo láser continuo en una secuencia de pulsos muy cortos. Estos pulsos de luz pasan a través de guías de ondas nanofotónicas no lineales en un microchip, que genera muchos colores de luz simultáneamente. Esta salida multicolor, conocido como supercontinuo, luego se puede utilizar para realizar mediciones espectroscópicas precisas de sólidos, líquidos y gases.
Las guías de ondas no lineales nanofotónicas basadas en chips fueron un componente clave en este nuevo sistema. Estos canales confinan la luz dentro de estructuras que tienen un centímetro de largo pero solo nanómetros de ancho. Su pequeño tamaño y bajas pérdidas de luz combinadas con las propiedades del material del que están hechos les permiten convertir la luz de una longitud de onda a otra de manera muy eficiente para crear el supercontinuo.
"La fuente de peine de frecuencia en sí también es única en comparación con la mayoría de los otros sistemas de doble peine porque se genera tallando un rayo láser continuo en pulsos con un modulador electroóptico, ", dijo Carlson." Esto significa que la confiabilidad y sintonía del láser puede ser excepcionalmente alta en una amplia gama de condiciones de operación, una característica importante cuando se analizan aplicaciones futuras fuera del entorno de un laboratorio ".
Analizando gases y sólidos
Para demostrar la versatilidad del nuevo espectrómetro de doble peine, los investigadores lo utilizaron para realizar espectroscopía de absorción lineal en gases de diferente presión. También lo operaron en una configuración ligeramente diferente para realizar la técnica analítica avanzada conocida como espectroscopía Raman no lineal en materiales semiconductores. Espectroscopía Raman no lineal, que utiliza pulsos de luz para caracterizar las vibraciones de moléculas en una muestra, no se ha realizado previamente con un peine de frecuencia electroóptica.
Las altas velocidades de adquisición de datos que son posibles con los peines electroópticos que operan a frecuencias de pulso de gigahercios son ideales para realizar mediciones espectroscópicas de eventos rápidos y no repetibles.
"Puede ser posible analizar y capturar las firmas químicas durante un evento de explosión o combustión, "dijo Carlson." De manera similar, en la obtención de imágenes biológicas, la capacidad de crear imágenes en tiempo real de tejidos vivos sin necesidad de etiquetado químico sería inmensamente valiosa para los investigadores biológicos ".
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar el rendimiento del sistema para que sea práctico para aplicaciones como imágenes biológicas en tiempo real y para simplificar y reducir la configuración experimental para que pueda operarse fuera del laboratorio.
