多數(shù)激光器只發(fā)射一種顏色的激光，即激光器發(fā)射出所有光子的波長相同。然而，也有發(fā)射更復(fù)雜光的激光器。如果激光器由許多不同頻率、均勻間隔的頻率分量組成，就像梳齒一樣，被稱為“頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學(xué)物質(zhì)的完美工具。


維也納技術(shù)大學(xué)（TU Wien）開發(fā)的激光系統(tǒng)創(chuàng)造出了一系列均勻間隔的頻率光譜（圖片來源：TU Wien）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，維也納技術(shù)大學(xué)（Vienna University of Technology，簡稱TU Wien）的這種特殊類型的激光器目前被用于微小空間（毫米級化學(xué)實驗室）的化學(xué)分析。有了這項正在申請專利的新技術(shù)，頻率梳可實現(xiàn)在單個芯片上以非常簡單而可靠的方式創(chuàng)建。這項研究已經(jīng)發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）雜志。

榮獲諾貝爾獎的“頻率梳”

頻率梳其實已存在多年，2005年的諾貝爾物理學(xué)獎就是頒發(fā)給它的。該研究項目負(fù)責(zé)人Benedikt Schwarz解釋說：“最令人興奮的是，用兩個頻率梳制造光譜儀相對容易。就像聲波一樣，兩個頻率相近的音調(diào)會產(chǎn)生拍頻，我們也可以利用不同頻率光譜之間的拍頻。我們就使用這種新方法，無需任何活動部件，實現(xiàn)在毫米尺寸開發(fā)微型化學(xué)實驗室。”

TU Wien的頻率梳是使用量子級聯(lián)激光器制造的。這些特殊的激光器是一種由不同層組成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流通過該結(jié)構(gòu)時，激光器會發(fā)出紅外范圍內(nèi)的光。光的屬性可以通過調(diào)整層結(jié)構(gòu)的幾何形狀來控制。

該論文的第一作者Johannes Hillbrand這樣解釋道：“在特定頻率電信號的幫助下，我們可以通過控制量子級聯(lián)激光器，讓它們發(fā)出一系列耦合在一起的光頻率?！边@種現(xiàn)象可以讓我們聯(lián)想到搖擺架上的秋千：你可以通過以合適的頻率搖晃腳手架來代替推動秋千，從而引起所有秋千以特定耦合模式擺動。“我們技術(shù)最大的優(yōu)勢就是利用了頻率梳的魯棒性，”Benedikt Schwarz說。沒有這項技術(shù)，激光器會對如溫度波動或反射等外界不可避免的干擾非常敏感，這些干擾會將部分光線反射回激光器。Schwarz說：“我們的技術(shù)實現(xiàn)起來非常容易，因此即使在困難環(huán)境中，它也很符合實際應(yīng)用。基本上，我們需要的元件可在每部手機中找到?！?br />
分子指紋

量子級聯(lián)激光器在紅外范圍內(nèi)產(chǎn)生頻率梳的事實至關(guān)重要，這是因為許多最重要的分子在該頻率范圍內(nèi)最容易被光探測到?！案鞣N空氣污染物，以及在醫(yī)學(xué)診斷中扮演重要角色的生物分子，都會吸收非常特定的紅外光頻率。這通常被稱為分子的光學(xué)指紋，”Johannes Hillbrand解釋道?！耙虼?，當(dāng)我們測量氣體樣品吸收了哪些紅外頻率時，我們就能準(zhǔn)確地判斷出氣體中含有的物質(zhì)種類?！?br />
實現(xiàn)微芯片激光測量

“由于我們激光器的魯棒性，因此我們系統(tǒng)與其他所有頻率梳技術(shù)相比具有決定性的優(yōu)勢：激光系統(tǒng)的微型化很容易實現(xiàn)，”Benedikt Schwarz說，“我們的激光器無需透鏡系統(tǒng)，無需移動部件，也不需要光學(xué)隔離器，因此必要結(jié)構(gòu)可以做的非常微小。整個測量系統(tǒng)可容納于毫米尺寸的芯片上。”

這就意味著極大地拓寬了激光系統(tǒng)應(yīng)用范圍：可以把芯片放在無人機上，用于測量空氣污染物；可以將芯片貼在墻上，用于建筑物中搜尋爆炸物的蹤跡。該芯片還可用于通過分析空氣中的化學(xué)物質(zhì)來檢測疾病的醫(yī)療設(shè)備。

這項新技術(shù)已申請了專利。Benedikt Schwarz說：“已有許多其他研究團(tuán)隊對我們的系統(tǒng)非常感興趣。我們希望這個系統(tǒng)不僅能夠用于學(xué)術(shù)研究，并且還能很快用于日常應(yīng)用。”