uma, Configuração experimental para TCS. PD, fotodetector. b, A geração de um sinal FWM. O primeiro pulso do pente 1 (azul), que é um pulso conjugado de fase complexo (E1 *), cria uma coerência entre o estado fundamental e um estado excitado (a evolução para uma única ressonância é mostrada em azul claro); o segundo pulso do pente 2 (preto) converte essa coerência em uma população do estado excitado e, em seguida, converte essa população em uma coerência de terceira ordem que irradia um sinal FWM, que para um sistema não homogeneamente ampliado é um eco de fóton (vermelho). O sinal FWM é então heterodificado com o oscilador pente local. E1 *, E2 e E3 são os campos elétricos dos pulsos 1, 2 e 3, respectivamente. eeg correspondem aos estados fundamental e excitado de um sistema de dois níveis. Crédito: Nature Photonics (2018). DOI:10.1038 / s41566-018-0267-4
Pesquisadores da Universidade de Michigan refinaram um dispositivo de farejamento de gás para que ele possa detectar gases tóxicos e explosivos em menos de meio segundo.
O método baseado em laser pode ser usado como um dispositivo de segurança em aeroportos ou para monitorar poluentes ou toxinas no meio ambiente. As descobertas dos físicos baseiam-se em um método desenvolvido no ano passado que detecta gases em cerca de quatro ou cinco minutos. O dispositivo atual usa três lasers para reduzir significativamente o tempo de detecção. Sua pesquisa atualizada é publicada em Nature Photonics .
"A grande vantagem é que você pode fazer essa detecção de uma forma muito mais simples, muito mais compacto, dispositivo muito mais robusto, e ao mesmo tempo, você pode fazer essa detecção muito mais rápido e com muito menos tempo de aquisição, "disse Steven Cundiff, o autor principal do projeto e o Professor Harrison M. Randall de Física na Faculdade de Literatura, Ciência, e as artes.
"Isso é fundamental para tornar o dispositivo prático. Se você estiver monitorando o ambiente, você precisa fazer isso razoavelmente rápido devido às flutuações no ambiente. Você não quer esperar cinco minutos para descobrir se algo contém uma toxina. "
Os gases têm certos comprimentos de onda que podem ser lidos com lasers. O primeiro dispositivo de Cundiff e do pesquisador de física Bachana Lomsadze usou um método chamado "espectroscopia coerente multidimensional, "ou MDCS. O MDCS usa pulsos de laser ultracurtos para ler esses comprimentos de onda como códigos de barras. O comprimento de onda específico de um gás identifica o tipo de gás que ele é.
Muitos gases têm um espectro muito rico para certos comprimentos de onda, ou cores, de luz - embora as "cores" possam realmente estar no infravermelho, então não é visível ao olho humano. Esses espectros os tornam facilmente identificáveis. Mas isso se torna difícil quando os cientistas tentam identificar gases em uma mistura. No passado, os cientistas confiavam na verificação de suas medições em relação a um catálogo de moléculas, um processo que requer computadores de alto desempenho e uma quantidade significativa de tempo.
O método anterior de Cundiff usava MDCS com outro método chamado espectroscopia dual-comb para encurtar o tempo de detecção para quatro ou cinco minutos. Os combs de frequência são fontes de laser que geram espectros que consistem em linhas nítidas igualmente espaçadas. Essas linhas são usadas como regras para medir as características espectrais de átomos e moléculas, identificando-os com extrema precisão. Na espectroscopia dual-comb, os lasers enviam pulsos de luz em diferentes padrões para rastrear rapidamente as impressões digitais dos gases.
Agora, Cundiff e Lomsadze adicionaram outra camada de detecção de laser para reduzir ainda mais o tempo de detecção, usando um método que eles apelidaram de "espectroscopia tri-comb". Esta também é a primeira vez que a espectroscopia tri comb foi demonstrada, Cundiff diz.
O grupo de pesquisa adicionou um terceiro laser e emparelhou os lasers com um software que pode programar o padrão de pulsos de luz que os lasers emitem. Os lasers são sincronizados entre si para gerar pulsos de luz, de forma que os lasers estão constantemente fazendo varredura para identificar gases.
Veja como o dispositivo funciona:dois lasers enviam pulsos de luz na mesma direção que se combinam em um único feixe. Este feixe passa por um vapor de gás, e depois que o feixe passa pelo vapor, ele é combinado com o feixe de um terceiro laser. Então, o feixe final atinge um detector de sinal que mede os espectros da mistura de gases e identifica os gases. Embora esta demonstração tenha usado lasers "caseiros" que não são particularmente compactos ou robustos, lasers equivalentes comercialmente disponíveis medem cerca de 10 polegadas por quatro polegadas por duas polegadas.
Semelhante ao seu trabalho no ano passado, Lomsadze e Cundiff testaram seu método em um vapor de átomos de rubídio que continha dois isótopos de rubídio. A diferença de frequência entre as linhas de absorção para os dois isótopos é muito pequena para ser observada usando abordagens tradicionais para MDCS, mas usando pentes, Lomsadze e Cundiff foram capazes de resolver essas linhas e atribuir os espectros dos isótopos com base em como os níveis de energia estavam acoplados uns aos outros. Seu método é geral e pode ser usado para identificar produtos químicos em uma mistura sem saber previamente a composição da mistura.
Cundiff espera implementar o dispositivo na tecnologia de fibra óptica existente, e controlar os pulsos de laser com software. Dessa maneira, o software pode ser adaptado a ambientes específicos.
"Este é um passo em direção ao objetivo da espectroscopia reconfigurável de software, "Cundiff disse." Isso é semelhante à tecnologia de rádio reconfigurável de software, em que o mesmo hardware pode ser usado para diferentes aplicativos, como um telefone celular ou um receptor FM, simplesmente carregando um software diferente. "
