研究人员展示了采用先进的光谱技术的记录速度

研究人员报告了第一台双梳状光谱仪，其采集速度为10 GHz。他们使用的光学设置如下所示。图片来源：国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校的戴维·卡尔森（David R. Carlson）

  研究人员开发了一种先进的光谱仪，可以以极高的速度采集数据。新的光谱仪可用于多种应用，包括遥感，实时生物成像和机器视觉。

  光谱仪测量物质对于光波长的吸收。但是，将此类系统用于复杂而详细的测量，通常需要较长的数据采集时间。

  美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校的研究小组负责人Papp说：“我们的新系统可以在几微秒内测量频谱。” “这意味着它可用于发电厂或喷气发动机的动态环境中的化学研究，生产线上飞行的药物或半导体的质量控制或生物样品的视频成像。”

  在光学协会的《光学快报》上，主要作者David R. Carlson及其同事Daniel D. Hickstein和Papp报告了第一台脉冲重复频率为10 GHz的双梳式光谱仪。他们通过对加压气体和半导体晶片进行光谱实验来证明这一点。

  卡尔森说：“众所周知，频率梳对光谱学很有用。” “我们的研究重点是建立新的高速频率梳，该梳可以使光谱仪的运行速度比当前技术快数百倍。”

更快地获取数据

  双梳光谱仪使用两个光源，称为光频率梳，它们发出的光谱或频率完全像梳子上的牙齿一样间隔开。频率梳对于光谱学很有用，因为它们提供了可用于区分各种物质的各种颜色的访问权限。

  为了创建具有极快的采集速度和多种颜色的双梳状光谱系统，研究人员将来自几个不同学科的技术整合在一起，包括纳米加工，微波电子学，光谱学和显微技术。

基于芯片的纳米光子非线性波导是该新系统的关键组件，因为它们可以将光从一种波长非常高效地转换为另一种波长，从而形成超连续谱。此处显示了非线性波导芯片的特写。图片来源：国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校的戴维·卡尔森（David R. Carlson）

新系统中的频率梳使用由电子信号驱动的光调制器，将连续的激光束雕刻成一系列非常短的脉冲。这些光脉冲通过微芯片上的纳米光子非线性波导，同时产生多种波长的光。然后，这种多色输出（称为超连续谱）可用于对固体，液体和气体进行精确的光谱测量。

基于芯片的纳米光子非线性波导是该新系统的关键组件。这些通道将光限制在一个厘米长但仅几纳米宽的结构内。它们的小尺寸和低光损耗，再加上其制成的材料的特性，使它们可以非常有效地将一种波长的光转换为另一种波长，从而形成超连续谱。

卡尔森说：“与大多数其他双梳系统相比，频率梳光源本身也是独特的，因为它是通过用电光调制器将连续的激光束切割成脉冲而产生的。” “这意味着激光器在各种工作条件下的可靠性和可调谐性都非常高，这是在实验室环境之外观察未来应用时的重要特征。”

分析气体和固体

  为了证明新型双梳状光谱仪的多功能性，研究人员使用它对不同压力的气体进行了线性吸收光谱。他们还以略有不同的配置对其进行操作，以对半导体材料执行称为非线性拉曼光谱的高级分析技术。非线性拉曼光谱法使用光脉冲来表征样品中分子的振动，以前从未使用电光频率梳进行过。以千兆赫兹脉冲速率工作的电光梳可能实现的高数据采集速度非常适合进行快速和不可重复事件的光谱测量。

  卡尔森说：“在爆炸或燃烧事件中分析和捕获化学特征是可能的。” “类似地，在生物成像中，无需化学标记即可实时在活组织中创建图像的能力，对于生物学研究人员将具有极大的价值。”

  研究人员现在正在努力改善该系统的性能，使其在实时生物成像等应用中实用，并简化和缩小实验设置，以便可以在实验室外进行操作。