Учёные MIT создали ультраширокополосный лазерный гребень для точного обнаружения химических веществ

Гребень использует двойное чирп-зеркало (DCM), изображённое на фото — специальный тип оптического зеркала с многослойной структурой, толщина слоёв которого постепенно меняется от одного конца к другому. Автор: Массачусетский технологический институт

Оптические частотные гребни — это специально разработанные лазеры, которые действуют как линейки для точного и быстрого измерения определённых частот света. Они могут использоваться для обнаружения и идентификации химических веществ и загрязнителей с чрезвычайно высокой точностью.

Частотные гребни были бы идеальны для дистанционных сенсоров или портативных спектрометров, поскольку они позволяют точно и в реальном времени отслеживать множество химических веществ без сложных движущихся частей или внешнего оборудования.

Однако разработка частотных гребней с достаточной для этих применений полосой пропускания оставалась сложной задачей. Часто исследователям приходится добавлять громоздкие компоненты, которые ограничивают масштабируемость и производительность.

Теперь команда исследователей из MIT продемонстрировала компактное, полностью интегрированное устройство, которое использует тщательно изготовленное зеркало для генерации стабильного частотного гребня с очень широкой полосой пропускания. Разработанное ими зеркало вместе с измерительной платформой на чипе предлагает необходимую масштабируемость и гибкость для массового производства дистанционных сенсоров и портативных спектрометров. Это достижение может привести к созданию более точных экологических мониторов, способных идентифицировать множество вредных химических веществ по следовым газам в атмосфере.

«Чем шире полоса пропускания спектрометра, тем он мощнее, но дисперсия мешает. Здесь мы взяли самую сложную проблему, ограничивающую полосу пропускания, и сделали её центральным элементом нашего исследования, решая каждый шаг для обеспечения надёжной работы частотного гребня», — говорит профессор Ху, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Light: Science and Applications.

Широкополосные гребни

Оптический частотный гребень производит спектр равноотстоящих лазерных линий, которые напоминают зубья расчёски.

Учёные могут генерировать частотные гребни, используя несколько типов лазеров для разных длин волн. Используя лазер, производящий длинноволновое инфракрасное излучение, такой как квантовый каскадный лазер, они могут применять частотные гребни для высокоточного зондирования и спектроскопии.

В двухгребенчатой спектроскопии (DCS) луч одного частотного гребня проходит прямо через систему и попадает на детектор на другом конце. Луч второго частотного гребня проходит через химический образец перед попаданием на тот же детектор. Используя результаты обоих гребней, учёные могут точно воспроизвести химические особенности образца на гораздо более низких частотах, где сигналы можно легко анализировать.

Частотные гребни должны иметь высокую полосу пропускания, иначе они смогут обнаруживать только небольшой частотный диапазон химических соединений, что может привести к ложным срабатываниям или неточным результатам.

Дисперсия — наиболее важный фактор, ограничивающий полосу пропускания частотного гребня. При наличии дисперсии лазерные линии располагаются неравномерно, что несовместимо с формированием частотных гребней.

«С длинноволновым инфракрасным излучением дисперсия будет очень высокой. Обойти это невозможно, поэтому мы должны найти способ компенсировать или противодействовать этому, проектируя нашу систему», — объясняет Ху.

Многие существующие подходы недостаточно гибки для использования в различных сценариях или не обеспечивают достаточную полосу пропускания.

Группа Ху ранее решила эту проблему для другого типа частотного гребня, использующего терагерцовые волны, разработав двойное чирп-зеркало (DCM).

DCM — это специальный тип оптического зеркала, имеющего множество слоёв с толщинами, которые постепенно меняются от одного конца к другому. Они обнаружили, что это DCM с гофрированной структурой может эффективно компенсировать дисперсию при использовании с терагерцовым лазером.

«Мы попытались позаимствовать этот приём и применить его к инфракрасному гребню, но столкнулись с множеством проблем», — признаётся Ху.

Поскольку инфракрасные волны в 10 раз короче терагерцовых, изготовление нового зеркала требовало чрезвычайно высокой точности. Одновременно им нужно было покрыть всё DCM толстым слоем золота для отвода тепла при работе лазера. Кроме того, их система измерения дисперсии, разработанная для терагерцовых волн, не работала с инфракрасными волнами, частоты которых примерно в 10 раз выше терагерцовых.

«После более чем двух лет попыток реализовать эту схему мы зашли в тупик», — говорит Ху.

Новое решение

Готовые сдаться, исследователи осознали, что они упустили нечто важное. Они спроектировали зеркало с гофрированием для компенсации потерь терагерцового лазера, но источники инфракрасного излучения не так сильно теряют энергию.

Это означало, что они могли использовать стандартную конструкцию DCM для компенсации дисперсии, которая совместима с инфракрасным излучением. Однако им всё ещё нужно было создавать изогнутые зеркальные слои для захвата луча лазера, что значительно усложнило изготовление по сравнению с обычным.

«Соседние слои зеркала отличаются всего на десятки нанометров. Такой уровень точности исключает стандартные методы фотолитографии. Кроме того, нам всё ещё приходилось очень глубоко травить печально известные упрямые материальные стеки. Достижение этих критических размеров и глубины травления было ключом к раскрытию широкополосной производительности гребня», — говорит Цзэн.

В дополнение к точному изготовлению DCM они интегрировали зеркало непосредственно в лазер, сделав устройство чрезвычайно компактным. Команда также разработала высокоточную платформу для измерения дисперсии на чипе, не требующую громоздкого внешнего оборудования.

«Наш подход гибкий. Пока мы можем использовать нашу платформу для измерения дисперсии, мы можем спроектировать и изготовить DCM, который её компенсирует», — добавляет Ху.

В совокупности DCM и платформа для измерений на чипе позволили команде генерировать стабильные инфракрасные лазерные частотные гребни с гораздо большей полосой пропускания, чем обычно достигается без DCM.

В будущем исследователи хотят расширить свой подход на другие лазерные платформы, которые могли бы генерировать гребни с ещё большей полосой пропускания и более высокой мощностью для более требовательных применений.

«Эти исследователи разработали ingenious нанофотонную схему компенсации дисперсии на основе интегрированного воздушно-диэлектрического двойного чирп-зеркала. Этот подход обеспечивает беспрецедентный контроль над дисперсией, позволяя формировать широкополосный гребень при комнатной температуре в длинноволновом инфракрасном диапазоне.

Их работа открывает путь к практическим частотным гребням на чипе для применений от химического зондирования до свободнопространственной связи», — говорит Джейкоб Б. Хургин, профессор инженерной школы Уайтинга Университета Джонса Хопкинса, не участвовавший в исследовании.

Больше информации: Tianyi Zeng et al, Ultrabroadband air-dielectric double-chirped mirrors for laser frequency combs, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01961-4

Источник: Массачусетский технологический институт