En un nuevo artículo publicado hoy en Avances científicos , los investigadores bajo la dirección de los Profesores de Ingeniería de Columbia Michal Lipson y Alexander Gaeta Física Aplicada y Matemática Aplicada han miniaturizado de peines de doble frecuencia al colocar dos generadores de peine de frecuencia en un solo chip de tamaño milimétrico.
"Esta es la primera vez que se genera un doble peine en un solo chip con un solo láser", dice Lipson, profesor de ingeniería eléctrica de Higgins.
Un peine de frecuencia es un tipo especial de haz de luz con muchas frecuencias diferentes, o "colores", todos separados entre sí de una manera extremadamente precisa. Cuando esta luz de muchos colores se envía a través de una muestra química, se absorben algunos colorespor las moléculas del espécimen. Al observar qué colores se han absorbido, uno puede identificar de forma única las moléculas en el espécimen con alta precisión. Esta técnica, conocida como espectroscopía de peine de frecuencia, permite la toma de huellas moleculares y puede usarse para detectar químicos tóxicos en la industriaáreas, para implementar controles de seguridad ocupacional o para monitorear el medio ambiente.
"La espectroscopía de doble peine es esta técnica aplicada a los esteroides", dice Avik Dutt, ex alumno del grupo de Lipson ahora un erudito postdoctoral en Stanford y autor principal del artículo ". Mezclando dos peines de frecuencia en lugar de un solo peine, podemos aumentar la velocidad a la que se realizan las mediciones por mil veces o más "
El trabajo también demostró el rango de frecuencia más amplio de cualquier peine dual en chip, es decir, la diferencia entre los colores en el extremo de baja frecuencia y el extremo de alta frecuencia es la más grande. Este rango permite una mayor variedad de productos químicos paradetectarse con el mismo dispositivo, y también facilita la identificación única de las moléculas: cuanto más amplio es el rango de colores en el peine, más amplia es la diversidad de moléculas que pueden ver los colores.
Los espectrómetros convencionales de doble peine, que se han introducido en la última década, son instrumentos voluminosos de mesa, y no portátiles debido a su tamaño, costo y complejidad. Por el contrario, el peine doble de escala de chips de Columbia Engineering se puede transportar fácilmentealrededor y utilizado para detección y espectroscopia en entornos de campo en tiempo real.
"Ahora hay un camino para intentar integrar todo el dispositivo en un teléfono o dispositivo portátil", dice Gaeta, profesor de física aplicada y ciencia de los materiales de Rickey.
Los investigadores miniaturizaron el peine dual colocando ambos generadores de peine de frecuencia en un solo chip de tamaño milimétrico. También usaron un solo láser para generar ambos peines, en lugar de los dos láseres utilizados en los peines duales convencionales, lo que redujo la complejidad experimentaly eliminó la necesidad de componentes electrónicos complicados. Para producir anillos minúsculos decenas de micrómetros de diámetro que guían y mejoran la luz con pérdida ultrabaja, el equipo utilizó nitruro de silicio, un material similar al vidrio que han perfeccionado específicamente para este propósito.nitruro de silicio con calentadores de platino, pudieron sintonizar muy finamente los anillos y hacer que funcionen en conjunto con el láser de entrada única.
"El nitruro de silicio es un material ampliamente utilizado en la industria de semiconductores a base de silicio que construye chips para computadoras / teléfonos inteligentes", señala Lipson. "Entonces, al aprovechar las capacidades de esta industria madura, podemos prever la fabricación confiable de estos chips de doble peine"en una escala masiva a bajo costo "
Utilizando este doble peine, los grupos de Lipson y Gaeta demostraron la espectroscopía en tiempo real del diclorometano químico a velocidades muy altas, en un amplio rango de frecuencia. Un disolvente orgánico ampliamente utilizado, el diclorometano, es abundante en áreas industriales, así como en las emisiones de humedales.El producto químico es cancerígeno y su alta volatilidad plantea riesgos de inhalación agudos. El espectrómetro compacto de doble peine a escala de chip de Columbia Engineering fue capaz de medir un amplio espectro de diclorometano en solo 20 microsegundos hay 1,000,000 microsegundos en un segundo, una tarea quehabría tomado al menos varios segundos con espectrómetros convencionales.
A diferencia de la mayoría de los espectrómetros, que se centran en la detección de gases, este nuevo espectrómetro miniaturizado es especialmente adecuado para líquidos y sólidos, que tienen características de absorción más amplias que los gases; el rango de frecuencias que absorben está más extendido ". Eso es lo que nuestroel dispositivo es tan bueno para generar ", explica Gaeta." Nuestros peines duales muy amplios tienen un espacio moderado entre las líneas sucesivas del peine de frecuencia, en comparación con los espectrómetros de gas que pueden salirse con un peine doble menos ancho pero necesitan un espacio finoentre las líneas del peine "
El equipo está trabajando para ampliar aún más el intervalo de frecuencia de los peines duales y para aumentar la resolución del espectrómetro ajustando las líneas del peine. En un artículo publicado en noviembre pasado en Optics Letters, los grupos de Gaeta y Lipson demostraron algunospasos para mostrar una mayor resolución.
"Uno también podría imaginar la integración del láser de entrada en el chip para miniaturizar aún más el sistema, allanando el camino para comercializar esta tecnología en el futuro", dice Dutt.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :