首款芯片级宽带光学系统，使光谱实验室实现微秒内实时检测

这是硅微谐振器的原理图，它产生一个频率梳，对试样分子进行化学识别。
图片来源：Alexander Gaeta/Columbia Engineering
 

美国哥伦比亚大学的研究人员首次展示了一种在中红外范围内基于芯片的双梳谱仪，该仪器不需要移动部件，即可在不到2微秒的时间内获取光谱。系统由两个相互耦合、低噪声、基于微谐振器的频率梳组成，跨度在2600~4100 nm之间；基于这一研究成果，将来有望开发出一个用于纳秒时间内实时感测的光谱实验室芯片。

“研究结果显示，在一个集成平台上，双梳光谱系统显示出了最宽的光学带宽。”Alexander Gaeta和David M. Rickey教授表示，他们是该研究的主要作者，这项研究成果已经发表于5月的《Nature Communications》上。

在芯片上创建一个光谱传感装置，以实现实时、高通量的微量分子检测，这是一个挑战。

几个月前，由Gaeta和密歇根大学电子工程教授Michal Lipson领导的研究小组，率先将两个频率梳发生器放在一个毫米级尺寸的芯片上，从而首次实现了双频梳的小型化。他们一直致力于拓宽双梳的频率范围，并通过调整梳齿之间的距离来提高光谱仪的分辨率。

在当前的这项研究中，研究人员专注于中红外范围，这是由于分子在这个范围内的强吸收通常比可见光或近红外范围内的吸收高10至1,000倍，因此非常适用于检测痕量分子。中红外范围有效地覆盖了许多分子的“指纹”区。

研究小组使用两个硅纳米光子器件作为微谐振器，实现了中红外双梳光谱。他们的集成器件能够直接生成宽带中红外光，并以很快的速度对试样进行采集，以表征其分子吸收。

“我们的工作对于基于芯片的双梳光谱学研究液相/固相试样来说，是一项重大的进步。”加埃塔实验室博士生Mengjie Yu说道，“我们的芯片级宽带光学系统，本质上是一个光子实验室芯片，非常适合用于化学物质的识别；并且可以在化学、生物医学、材料科学和工业过程控制中找到广泛的应用领域。”


来源：哥伦比亚大学工程与应用科学学院
作者：Mengjie Yu
译者：兔子小光
译自：sciencedaily
 
参考文献：
Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi, Austin G. Griffith, Nathalie Picqué, Michal Lipson, Alexander L. Gaeta. Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-04350-1