Решив давние проблемы стабильности, лазерная архитектура в виде кольцевой трассы может позволить создавать двухгребенчатые спектрометры на чипе.
Что если устройство размером с микрочип сможет выполнять работу целого лабораторного стола, не будучи громоздким и сложным? Именно в этом заключается идея нового лазера, разработанного исследователями из Гарвардского университета и Венского технического университета.
Команда разработала крошечный лазер в форме «гоночной трассы», который позволит уменьшить мощные системы газоанализа до компактных портативных устройств.
Новый лазер, созданный физиками-прикладниками из Инженерно-технической школы имени Джона А. Полсона при Гарвардском университете, генерирует стабильный частотный гребень в среднеинфракрасном диапазоне.
Этот регион имеет решающее значение для обнаружения таких газов, как углекислый газ и метан.
Компактное формирование гребенчатых сотов
В устройстве используется кольцеобразная конструкция в виде «гоночной трассы», основанная на квантовом каскадном лазере.
Свет циркулирует внутри петли с чрезвычайно высокой скоростью. Такая геометрия помогает лазеру генерировать частотный гребень, излучающий множество равномерно расположенных длин волн.
Частотные гребенки используются в прецизионных измерительных приборах.
Они позволяют ученым обнаруживать мельчайшие изменения в поглощении света. Это делает их незаменимыми для мониторинга окружающей среды и промышленного мониторинга.
Однако инженерам сложно сделать эти гребенки устойчивыми и компактными.
Традиционные системы требуют громоздкого оборудования и остаются чувствительными к оптической обратной связи. Небольшие отражения могут нарушить работу системы.
Команда под руководством Гарварда решила эту проблему с помощью новой архитектуры.
Они перепроектировали лазер, превратив его в резонатор с замкнутым контуром. Это заставляет свет распространяться только в одном направлении. Любой отраженный свет движется в противоположном направлении и быстро затухает.
Стабильность без громоздкого оборудования.
Команда также внедрила электронный метод управления. Они подключили металлические зонды к чипу. Затем они управляли лазером с помощью радиочастотного сигнала.
Этот сигнал соответствует частоте двусторонней передачи сигнала светофора.
«По сути, мы очень быстро включаем и выключаем лазер, — сказал Летсу. — И благодаря этому создается невероятно стабильный широкополосный частотный гребень».
Такой подход устраняет необходимость во внешних стабилизирующих компонентах.
Это также повышает надежность в реальных условиях. В ходе испытаний исследователи отражали свет непосредственно обратно в лазер.
Стандартные системы вышли бы из строя при такой обратной связи. Конструкция гоночной трассы обеспечивала стабильную выходную мощность.
Этот прорыв может упростить двухгребенчатые спектрометры. В настоящее время такие приборы занимают много места в крупных лабораторных установках.
Для высокочувствительного анализа газов они используют два лазера с немного разными частотами.
Интегрировав несколько лазеров, имитирующих гоночную трассу, на одном чипе, инженеры смогли воссоздать эту возможность в компактном виде.
Каждый лазер мог работать на собственном радиочастотном сигнале. Вместе они могли выполнять точные измерения без громоздкой оптики.
Эти изменения могут затронуть несколько отраслей.
Портативные датчики парниковых газов могут значительно улучшить мониторинг окружающей среды.
Промышленные предприятия могут получить инструменты для мониторинга производственных процессов в режиме реального времени. В области медицинской диагностики также возможны улучшения, в том числе и в анализе дыхания.
Данное исследование основывается на более ранних работах в области квантовых каскадных лазеров.
Федерико Капассо и его коллеги впервые разработали эту технологию несколько десятилетий назад. Новейшая разработка выводит её на практический, масштабируемый уровень применения.
В случае успеха, лазер на основе гоночной трассы может вывести высокоточную спектроскопию из специализированных лабораторий. Вскоре его можно будет использовать в полевых условиях, на заводах и в клинических условиях.
Результаты исследования опубликованы в журнале Optica.
Sourse: interestingengineering.com
