Les composés chimiques portent tous des "empreintes digitales" d'absorption distinctes dans la région spectrale de l'infrarouge moyen de 2 à 12 microns. Cela offre une opportunité de mesurer et d'étudier les produits chimiques à des niveaux extrêmement sensibles, mais les chercheurs manquent d'outils, comme les lasers et les détecteurs, nécessaire pour fonctionner dans l'infrarouge moyen. Récemment, il y a eu une poussée pour développer de nouveaux outils pour aider à voir et à mesurer ces composés chimiques plus en détail.

Dans une percée, un groupe de chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie a développé une source laser sur puce de silicium avec des sorties constituées de lignes optiques définies avec précision et équidistantes dans la région spectrale de l'infrarouge moyen. Ils rapportent leurs conclusions dans Photonique APL .

Ces lasers, appelés peignes de fréquence, « agissent comme des « règles » de la lumière et ont de nombreuses applications, du transfert d'étalons de temps et de l'amélioration des signaux GPS à la spectroscopie de précision, " dit Nima Nader, chercheur postdoctoral pour le NIST.

Pour les applications spectroscopiques, ce type de source de lumière cohérente peut traverser une cellule d'échantillon contenant des gaz inconnus. Ces gaz absorbent une partie de la lumière et laissent des traces de doigts sur des lignes de peigne très spécifiques. Les chercheurs peuvent comparer ces lignes à une base de données de gaz pour identifier les produits chimiques spécifiques présents.

Au delà de ça, la nature cohérente de la source laser "permet la propagation à longue distance de la lumière afin que les échantillons chimiques puissent être étudiés à distance, sans contact direct, " dit Nader. " Et puisque les peignes de fréquence sont des sources laser stabilisées, ils peuvent détecter de très faibles niveaux de produits chimiques et améliorer la sensibilité de nos mesures."

Ces sources sont fabriquées sur un compact, plate-forme photonique intégrée à base de silicium, qui active des centaines d'appareils - dans ce cas, peignes de fréquence - à fabriquer sur une seule matrice de petite surface.

"Chaque appareil est conçu pour générer un spectre infrarouge moyen de lignes optiques en forme de peigne avec une forme spectrale adaptée, bande passante, et distribution de puissance optique, " a déclaré Nader.

Ces sources laser sont « aussi cohérentes et peu bruyantes que les peignes de fréquence conventionnels développés avant nos travaux, " a déclaré Nader. " Nous avons également signalé, pour la première fois, spectroscopie à double peigne d'un échantillon de gaz avec une source de peigne à moyenne fréquence infrarouge qui exploite une plate-forme photonique au silicium."

Ces développements améliorent les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Une pratique, haut débit, Un peigne de fréquence infrarouge moyen à faible bruit avec une puissance modérée et un spectre conçu peut améliorer la précision de la fréquence, sensibilité, et les taux d'acquisition de données de la spectroscopie infrarouge moyen.

« Nos spectres multibandes contrôlés et conçus par l'utilisateur sont idéaux pour les applications dans lesquelles un fonctionnement multipeigne parallèle est souhaité, comme les capteurs ponctuels pour la surveillance de la synthèse chimique in situ en temps réel, microscopie en champ proche, et la télédétection, " a déclaré Nader. " Ces capteurs peuvent augmenter considérablement la sensibilité de détection d'outils et de techniques tels que les analyseurs d'haleine, détection du cancer, suivi et détection d'explosifs, et la surveillance de la synthèse des médicaments."

La prochaine étape consiste à pousser la bande passante optique des peignes de fréquence du NIST vers des longueurs d'onde infrarouges plus longues et des puissances optiques plus élevées. "Nous travaillons également à réduire leur empreinte et leur consommation d'énergie pour créer des systèmes compacts avec une efficacité améliorée, " a déclaré Nader.