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- 新型激光 “梳” 可實(shí)現(xiàn)對化學(xué)物質(zhì)的超高精度快速識別
- 來源:亞當(dāng)澤維 | 麻省理工學(xué)院新聞 發(fā)表于 2025/9/4
(圖片說明:帶有弧形輻射部件的 “梳” 的微觀視圖)
圖片說明:該頻率梳使用了圖中所示的雙啁啾鏡(DCM),這是一種特殊類型的光學(xué)鏡,具有多層結(jié)構(gòu),其厚度從一端到另一端逐漸變化。
圖片來源:由研究人員提供
光學(xué)頻率梳是經(jīng)過特殊設(shè)計的激光,其作用類似于 “尺子”,能夠精準(zhǔn)且快速地測量特定頻率的光。它們可用于以極高精度檢測和識別化學(xué)物質(zhì)及污染物。
頻率梳非常適合用于遠(yuǎn)程傳感器或便攜式光譜儀,因?yàn)樗鼈儫o需復(fù)雜的移動部件或外部設(shè)備,就能實(shí)現(xiàn)對多種化學(xué)物質(zhì)的精準(zhǔn)實(shí)時監(jiān)測。
但開發(fā)出帶寬足夠高、可滿足這些應(yīng)用需求的頻率梳一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。研究人員通常不得不添加龐大的組件,而這些組件會限制設(shè)備的可擴(kuò)展性和性能。
如今,麻省理工學(xué)院的一組研究人員展示了一種緊湊的全集成設(shè)備:該設(shè)備利用精心設(shè)計的鏡片,可生成帶寬極寬且性能穩(wěn)定的頻率梳。他們研發(fā)的這種鏡片,再加上片上測量平臺,能夠提供大規(guī)模生產(chǎn)遠(yuǎn)程傳感器和便攜式光譜儀所需的可擴(kuò)展性與靈活性。這一成果有望催生出更精準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備,這類設(shè)備可從大氣中的痕量氣體中識別出多種有害化學(xué)物質(zhì)。
“光譜儀的帶寬越寬,其性能就越強(qiáng),但色散問題會成為阻礙。我們將這種限制帶寬的最大難題作為研究的核心,通過攻克每一個技術(shù)環(huán)節(jié),確保頻率梳能夠穩(wěn)定工作! 麻省理工學(xué)院電氣與計算機(jī)科學(xué)系杰出教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室首席研究員、一篇相關(guān)開放獲取論文的資深作者慶虎(Qing Hu)表示。
該論文的第一作者是 2023 屆博士田毅(Tianyi Zeng);其他作者還包括通用動力任務(wù)系統(tǒng)公司的亞馬克迪克梅利克(Yamac Dikmelik)、索雷博量子電子公司的謝峰(Feng Xie)與凱文拉斯科拉(Kevin Lascola),以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校助理教授戴維伯格霍夫(David Burghoff,2009 屆理學(xué)碩士、2014 屆博士)。這項(xiàng)研究成果于今日發(fā)表在《光:科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science and Applications)期刊上。
寬帶頻率梳
光學(xué)頻率梳會產(chǎn)生一系列等間距排列的激光譜線,這些譜線形似梳子的齒,因此得名 “頻率梳”。
科學(xué)家可利用多種類型的激光(對應(yīng)不同波長)生成頻率梳。通過使用能產(chǎn)生長波紅外輻射的激光(如量子級聯(lián)激光器),他們可將頻率梳用于高分辨率傳感與光譜分析。
在雙梳光譜技術(shù)(DCS)中,一束頻率梳的光束直接穿過系統(tǒng),最終照射到另一端的探測器上;而另一束頻率梳的光束則先穿過化學(xué)樣品,再照射到同一個探測器上。通過對比兩束頻率梳的探測結(jié)果,科學(xué)家能夠在頻率低得多的范圍內(nèi)(該范圍內(nèi)的信號更易分析)精準(zhǔn)還原樣品的化學(xué)特征。
頻率梳必須具備高帶寬,否則只能檢測化學(xué)化合物的一個小頻率范圍,這可能導(dǎo)致誤報或檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。
色散是限制頻率梳帶寬的關(guān)鍵因素。若存在色散,激光譜線的間距會不均勻,而這與頻率梳的形成原理相悖。
“對于長波紅外輻射而言,色散現(xiàn)象會非常顯著,這一問題無法回避,因此我們必須通過系統(tǒng)設(shè)計找到補(bǔ)償或抵消色散的方法! 慶虎說。
目前許多現(xiàn)有方法要么靈活性不足(無法適用于不同場景),要么無法實(shí)現(xiàn)足夠高的帶寬。
慶虎團(tuán)隊(duì)此前曾針對另一種類型的頻率梳(利用太赫茲波的頻率梳)解決過色散問題 —— 他們研發(fā)出了雙啁啾鏡(DCM)。
雙啁啾鏡是一種特殊的光學(xué)鏡,具有多層結(jié)構(gòu),其厚度從一端到另一端逐漸變化。研究人員發(fā)現(xiàn),這種帶有波紋結(jié)構(gòu)的雙啁啾鏡與太赫茲激光器配合使用時,能有效補(bǔ)償色散。
“我們嘗試借鑒這一技術(shù),并將其應(yīng)用于紅外頻率梳,但過程中遇到了諸多挑戰(zhàn)! 慶虎表示。
由于紅外線的波長是太赫茲波的 1/10,制造這種新型鏡片需要極高的精度。與此同時,他們還需在整個雙啁啾鏡表面鍍上一層厚厚的金,以散除激光工作時產(chǎn)生的熱量。此外,他們原先為太赫茲波設(shè)計的色散測量系統(tǒng)也無法適用于紅外線(紅外線的頻率約為太赫茲波的 10 倍)。
“我們嘗試實(shí)施這一方案兩年多后,陷入了僵局! 慶虎說。
新的解決方案
就在團(tuán)隊(duì)幾乎要放棄之際,他們意識到了一個此前被忽略的關(guān)鍵點(diǎn):他們當(dāng)初設(shè)計帶有波紋的鏡片,是為了補(bǔ)償太赫茲激光器的能量損耗,但紅外輻射源的能量損耗遠(yuǎn)沒有那么大。
這意味著他們可以采用標(biāo)準(zhǔn)的雙啁啾鏡設(shè)計來補(bǔ)償色散 —— 這種設(shè)計與紅外輻射是兼容的。不過,他們?nèi)孕柚圃鞄в谢⌒谓Y(jié)構(gòu)的鏡片層以捕捉激光光束,這使得制造過程比常規(guī)情況難度大得多。
“鏡片的相鄰兩層厚度僅相差幾十納米,這種精度水平使得常規(guī)光刻技術(shù)無法勝任。除此之外,我們還必須在硬度極高的材料堆疊結(jié)構(gòu)上進(jìn)行深度蝕刻。實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵的尺寸要求和蝕刻深度,是解鎖寬帶頻率梳性能的關(guān)鍵。” 田毅表示。
除了精準(zhǔn)制造雙啁啾鏡外,研究團(tuán)隊(duì)還將該鏡片直接集成到激光器上,使設(shè)備變得極為緊湊。他們還研發(fā)了一種高分辨率的片上色散測量平臺,無需龐大的外部設(shè)備。
“我們的方法具有靈活性。只要能利用我們的平臺測量出色散情況,就能設(shè)計并制造出可補(bǔ)償該色散的雙啁啾鏡! 慶虎補(bǔ)充道。
綜合來看,雙啁啾鏡與片上測量平臺的結(jié)合,使研究團(tuán)隊(duì)能夠生成穩(wěn)定的紅外激光頻率梳,其帶寬遠(yuǎn)高于未使用雙啁啾鏡時的常規(guī)水平。
未來,研究人員計劃將他們的方法擴(kuò)展到其他激光平臺,以生成帶寬更寬、功率更高的頻率梳,從而滿足更嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。
“這些研究人員基于集成式空氣 - 電介質(zhì)雙啁啾鏡,研發(fā)出了一種巧妙的納米光子色散補(bǔ)償方案。這種方法實(shí)現(xiàn)了對色散的前所未有的控制,能夠在室溫下生成長波紅外波段的寬帶頻率梳。他們的研究為實(shí)用化、芯片級頻率梳開辟了道路,其應(yīng)用范圍可從化學(xué)傳感延伸到自由空間通信! 約翰霍普金斯大學(xué)懷廷工程學(xué)院教授雅各布庫爾金(Jacob B. Khurgin)評價道(他未參與該論文的研究)。
這項(xiàng)研究的部分資金來自美國國防高級研究計劃局(DARPA)和戈登與貝蒂摩爾基金會。研究工作的部分環(huán)節(jié)是在麻省理工學(xué)院納米技術(shù)中心(MIT.nano)的設(shè)施中完成的。
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