新型激光技术实现微型化学传感器 开拓毫米级微芯片激光检测

多数激光器只发射一种颜色的激光，即激光器发射出所有光子的波长相同。然而，也有发射更复杂光的激光器。如果激光器由许多不同频率、均匀间隔的频率分量组成，就像梳齿一样，被称为“频率梳”。频率梳是检测各种化学物质的完美工具。

维也纳技术大学（TU Wien）开发的激光系统创造出了一系列均匀间隔的频率光谱（图片来源：TU Wien）

据麦姆斯咨询报道，维也纳技术大学（Vienna University of Technology，简称TU Wien）的这种特殊类型的激光器目前被用于微小空间（毫米级化学实验室）的化学分析。有了这项正在申请专利的新技术，频率梳可实现在单个芯片上以非常简单而可靠的方式创建。这项研究已经发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志。

荣获诺贝尔奖的“频率梳”

频率梳其实已存在多年，2005年的诺贝尔物理学奖就是颁发给它的。该研究项目负责人Benedikt Schwarz解释说：“最令人兴奋的是，用两个频率梳制造光谱仪相对容易。就像声波一样，两个频率相近的音调会产生拍频，我们也可以利用不同频率光谱之间的拍频。我们就使用这种新方法，无需任何活动部件，实现在毫米尺寸开发微型化学实验室。”

TU Wien的频率梳是使用量子级联激光器制造的。这些特殊的激光器是一种由不同层组成的半导体结构。当电流通过该结构时，激光器会发出红外范围内的光。光的属性可以通过调整层结构的几何形状来控制。

该论文的第一作者Johannes Hillbrand这样解释道：“在特定频率电信号的帮助下，我们可以通过控制量子级联激光器，让它们发出一系列耦合在一起的光频率。”这种现象可以让我们联想到摇摆架上的秋千：你可以通过以合适的频率摇晃脚手架来代替推动秋千，从而引起所有秋千以特定耦合模式摆动。“我们技术最大的优势就是利用了频率梳的鲁棒性，”Benedikt Schwarz说。没有这项技术，激光器会对如温度波动或反射等外界不可避免的干扰非常敏感，这些干扰会将部分光线反射回激光器。Schwarz说：“我们的技术实现起来非常容易，因此即使在困难环境中，它也很符合实际应用。基本上，我们需要的元件可在每部手机中找到。”

分子指纹

量子级联激光器在红外范围内产生频率梳的事实至关重要，这是因为许多最重要的分子在该频率范围内最容易被光探测到。“各种空气污染物，以及在医学诊断中扮演重要角色的生物分子，都会吸收非常特定的红外光频率。这通常被称为分子的光学指纹，”Johannes Hillbrand解释道。“因此，当我们测量气体样品吸收了哪些红外频率时，我们就能准确地判断出气体中含有的物质种类。”

实现微芯片激光测量

“由于我们激光器的鲁棒性，因此我们系统与其他所有频率梳技术相比具有决定性的优势：激光系统的微型化很容易实现，”Benedikt Schwarz说，“我们的激光器无需透镜系统，无需移动部件，也不需要光学隔离器，因此必要结构可以做的非常微小。整个测量系统可容纳于毫米尺寸的芯片上。”

这就意味着极大地拓宽了激光系统应用范围：可以把芯片放在无人机上，用于测量空气污染物；可以将芯片贴在墙上，用于建筑物中搜寻爆炸物的踪迹。该芯片还可用于通过分析空气中的化学物质来检测疾病的医疗设备。

这项新技术已申请了专利。Benedikt Schwarz说：“已有许多其他研究团队对我们的系统非常感兴趣。我们希望这个系统不仅能够用于学术研究，并且还能很快用于日常应用。”