Os pesquisadores desenvolveram um espectrômetro avançado que pode adquirir dados com velocidade excepcionalmente alta. O novo espectrômetro pode ser útil para uma variedade de aplicações, incluindo sensoriamento remoto, imagens biológicas em tempo real e visão de máquina.

Os espectrômetros medem a cor da luz absorvida ou emitida por uma substância. Contudo, o uso de tais sistemas para medições complexas e detalhadas normalmente requer longos tempos de aquisição de dados.

"Nosso novo sistema pode medir um espectro em meros microssegundos, "disse o líder da equipe de pesquisa Scott B. Papp, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e da Universidade do Colorado, Pedregulho. "Isso significa que pode ser usado para estudos químicos no ambiente dinâmico de usinas de energia ou motores a jato, para controle de qualidade de produtos farmacêuticos ou semicondutores voando em uma linha de produção, ou para imagens de vídeo de amostras biológicas. "

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , o autor principal David R. Carlson e colegas Daniel D. Hickstein e Papp relatam o primeiro espectrômetro dual-comb com uma taxa de repetição de pulso de 10 gigahertz. Eles demonstram isso realizando experimentos de espectroscopia em gases pressurizados e wafers semicondutores.

"Os combs de frequência já são conhecidos por serem úteis para espectroscopia, "disse Carlson." Nossa pesquisa está focada na construção de novos, pentes de frequência de alta velocidade que podem fazer um espectrômetro que opera centenas de vezes mais rápido do que as tecnologias atuais. "

Obtendo dados mais rápido

A espectroscopia de pente duplo usa duas fontes ópticas, conhecidos como pentes de frequência óptica, que emitem um espectro de cores - ou frequências - perfeitamente espaçadas como os dentes de um pente. Os combs de frequência são úteis para espectroscopia porque fornecem acesso a uma ampla gama de cores que podem ser usadas para distinguir várias substâncias.

Para criar um sistema de espectroscopia dual-comb com aquisição extremamente rápida e uma ampla gama de cores, os pesquisadores reuniram técnicas de várias disciplinas diferentes, incluindo nanofabricação, eletrônica de microondas, espectroscopia e microscopia.

Os combs de frequência no novo sistema usam um modulador óptico acionado por um sinal eletrônico para esculpir um feixe de laser contínuo em uma sequência de pulsos muito curtos. Esses pulsos de luz passam por guias de ondas não lineares nanofotônicos em um microchip, que gera muitas cores de luz simultaneamente. Esta saída multicolorida, conhecido como supercontínuo, pode então ser usado para fazer medições espectroscópicas precisas de sólidos, líquidos e gases.

Os guias de onda não lineares nanofotônicos baseados em chip foram um componente chave neste novo sistema. Esses canais confinam a luz em estruturas que têm um centímetro de comprimento, mas apenas nanômetros de largura. Seu pequeno tamanho e baixas perdas de luz, combinadas com as propriedades do material de que são feitos, permitem que eles convertam a luz de um comprimento de onda para outro de forma muito eficiente para criar o supercontínuo.

"A fonte do pente de frequência em si também é única em comparação com a maioria dos outros sistemas de pente duplo, porque é gerada pela escultura de um feixe de laser contínuo em pulsos com um modulador eletro-óptico, "disse Carlson." Isso significa que a confiabilidade e a capacidade de ajuste do laser podem ser excepcionalmente altas em uma ampla gama de condições operacionais, um recurso importante quando se olha para futuras aplicações fora de um ambiente de laboratório. "

Analisando gases e sólidos

Para demonstrar a versatilidade do novo espectrômetro dual-comb, os pesquisadores usaram para realizar espectroscopia de absorção linear em gases de diferentes pressões. Eles também o operaram em uma configuração ligeiramente diferente para executar a técnica analítica avançada conhecida como espectroscopia Raman não linear em materiais semicondutores. Espectroscopia Raman não linear, que usa pulsos de luz para caracterizar as vibrações das moléculas em uma amostra, não foi executado anteriormente usando um pente de frequência eletro-óptica.

As altas velocidades de aquisição de dados que são possíveis com pentes eletro-ópticos operando em taxas de pulso gigahertz são ideais para fazer medições de espectroscopia de eventos rápidos e não repetíveis.

"Pode ser possível analisar e capturar as assinaturas químicas durante um evento de explosão ou combustão, "disse Carlson." Da mesma forma, em imagens biológicas, a capacidade de criar imagens em tempo real de tecidos vivos sem a necessidade de rotulagem química seria imensamente valiosa para os pesquisadores biológicos. "

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar o desempenho do sistema para torná-lo prático para aplicações como imagens biológicas em tempo real e para simplificar e reduzir a configuração experimental para que possa ser operado fora do laboratório.