基於矽片的中紅外雙頻梳光譜可用於分子檢測

哥倫比亞大學工程與應用科學學院的研究人員們首次展示了一種基於晶元的中紅外波段的雙梳光譜儀，它不需要移動部件，並且可以在不到2微秒的時間內獲取光譜。該系統由兩個相互耦合的，低雜訊，基於微諧振器的頻率梳組成，頻率梳的跨度為2600 nm至4100 nm，可以開發出一個在納秒時間尺度範圍實時感測的光譜實驗室晶元。

「我們的研究結果顯示，在一個集成平台上的雙梳光譜顯示出最寬的光學帶寬，」 該論文的作者、應用物理和材料科學David M. Rickey教授Alexander Gaeta說，該論文發表在Nature Communications上（「Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy」）。

硅微諧振器示意圖產生一個頻率梳的示意圖，所示頻率梳可以用來採樣分子，以進行化學鑒定。（圖片來源：Alexander Gaeta /哥倫比亞大學工程與應用科學學院）

在晶元上創建一個光譜感測裝置，能夠實現實時、高通量的微量分子檢測，這一直頗具挑戰性。幾個月前，由Gaeta和希金斯電氣工程教授Michal Lipson領導的團隊，率先將雙頻梳發生器放在一個毫米尺寸的晶元上，從而實現雙頻梳的微型化。他們一直致力於拓寬雙頻梳的頻率範圍，並通過調整頻率梳的線條來提高光譜儀的解析度。

在當前的這項研究中，研究人員專註於中紅外（mid-IR）範圍，由於其強大的分子吸收能力通常比可見光或近紅外範圍高10至1,000倍，因此非常適用於檢測微量分子。中紅外範圍有效地覆蓋了許多分子的「指紋」。

該團隊使用兩個硅納米光子器件作為微諧振器演示了中紅外雙頻梳光譜。他們的集成器件能夠直接生成寬頻中紅外光和快速採集分子樣本的速度，來表徵分子吸收。

「我們的工作對用於液相/固相研究的基於晶元的雙頻梳光譜學來說是一項重大進步，」本文的第一作者，加埃塔實驗室博士生Mengjie Yu說。「我們的晶元級寬頻光學系統本質上是一個光子晶元實驗室，非常適合化學物質的識別，並且可以在化學，生物醫學，材料科學和工業過程式控制制中有廣泛的應用。」

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