Todos os compostos químicos carregam "impressões digitais" de absorção distintas na região espectral do infravermelho médio de 2 a 12 mícrons. Isso oferece uma oportunidade de medir e estudar produtos químicos em níveis extremamente sensíveis, mas os pesquisadores não têm as ferramentas, como lasers e detectores, necessário para operar no infravermelho médio. Recentemente, tem havido um esforço para desenvolver novas ferramentas para ajudar a ver e medir esses compostos químicos com mais detalhes.

Em uma descoberta, um grupo de pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia desenvolveu uma fonte de laser em chip de silício com saídas que consistem em linhas ópticas definidas com precisão e igualmente espaçadas dentro da região espectral do infravermelho médio. Eles relatam suas descobertas em APL Photonics .

Esses lasers, chamados pentes de frequência, "atuam como 'governantes' de luz e têm inúmeras aplicações - desde a transferência de padrões de tempo e melhoria dos sinais de GPS até espectroscopia de precisão, "disse Nima Nader, um pesquisador de pós-doutorado para NIST.

Para aplicações espectroscópicas, este tipo de fonte de luz coerente pode passar por uma célula de amostra contendo gases desconhecidos. Esses gases absorvem parte da luz e deixam impressões digitais em linhas de pente muito específicas. Os pesquisadores podem verificar essas linhas em um banco de dados de gases para identificar os produtos químicos específicos presentes.

Além disso, a natureza coerente da fonte de laser "permite a propagação de luz a longa distância para que as amostras químicas possam ser estudadas remotamente, sem contato direto, "Disse Nader." E como os combs de frequência são fontes de laser estabilizadas, eles podem detectar níveis muito baixos de produtos químicos e aumentar a sensibilidade de nossas medições. "

Essas fontes são fabricadas em um compacto, plataforma fotônica integrada baseada em silício, que habilita centenas de dispositivos - neste caso, pentes de frequência - para serem fabricados em uma única matriz de área pequena.

"Cada dispositivo é projetado para gerar um espectro de infravermelho médio de linhas ópticas semelhantes a comblike com formato espectral sob medida, largura de banda, e distribuição de energia óptica, "Nader disse.

Essas fontes de laser são "tão coerentes e de baixo ruído quanto os pentes de frequência convencionais desenvolvidos antes de nosso trabalho, "Nader disse." Nós também relatamos, pela primeira vez, espectroscopia de pente duplo de uma amostra de gás com uma fonte de pente de frequência de infravermelho médio que explora uma plataforma fotônica de silício. "

Esses desenvolvimentos aprimoram as técnicas convencionais, como a espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. Um prático, banda larga, Pente de frequência infravermelho médio de baixo ruído com potência moderada e espectro de engenharia pode melhorar a precisão da frequência, sensibilidade, e taxas de aquisição de dados de espectroscopia de infravermelho médio.

"Nossos espectros multibanda projetados e controlados pelo usuário são ideais para aplicações nas quais a operação multicomb paralela é desejada, como sensores pontuais para monitoramento de síntese química in situ em tempo real, microscopia de campo próximo, e sensoriamento remoto, "Disse Nader." Esses sensores podem aumentar significativamente a sensibilidade de detecção de ferramentas e técnicas, como analisadores de respiração, detecção de câncer, rastreamento e detecção de explosivos, e monitoramento da síntese de drogas. "

A próxima etapa é aumentar a largura de banda óptica dos combs de frequência do NIST para comprimentos de onda infravermelhos mais longos e potências ópticas mais altas. "Também estamos trabalhando para reduzir sua pegada e consumo de energia para criar sistemas compactos com maior eficiência, "Nader disse.