美國麻省理工學院(MIT)電子研究實驗室(Research Laboratory of Electronics)的研究人員展示一款新的terahertz (Thz)光譜系統,可利用量子級聯雷射(QCL)技術在僅100微秒(µs)的時間內擷取某種材料的光譜特微。

傳統的THz光譜需要相當於大型行李箱尺寸的強大輻射來源,而且必須以不同的手動調整頻率進行多種測量。相形之下,這款以晶片為基礎的系統可在幾毫秒(ms)的時間內執行全自動化吸收頻譜與化學鑑定。

這項主題為「利用雷射頻率光梳實現Terahertz多外差光譜」(Terahertz multiheterodyne spectroscopy using laser frequency combs)的研究發表在最近一期的《Optica》期刊,該論文的主要作者——MIT電子工程與電腦科學系研究生Yang Yang解釋,基於OCL的頻率光梳能以數學方式在幾次測量後重新建構材料的吸收指紋圖譜,無需進行任何機械調整,就能透過電子整合實現快速自動化。

這項研究的主要突破在於可使QCL光梳的間距更為平均,使其得以在「增益介質」(gain medium)長度決定的多個頻率範圍內發射輻射光源。

20160524 fingerprinting NT01P2用於產生THz頻率光梳的「增益介質」概念圖。圖中以各種色彩表示透過介質以不同距離振盪THz輻射的不同波長範圍,分別具有不同的折射率。 (來源:Yan Liang/L2Molecule.com)

為了使雷射頻率區段更均勻,MIT的研究人員們使用一種形狀奇特的增益介質,每一側都具有規則且對稱的凹槽,能夠改變介質的折射率以及恢復發射頻率的分佈一致性。他們開發出一種能夠產生單一、不間斷頻率光梳的新式增益介質,由幾百個交錯的砷化鎵(GaAs)和砷化鋁鎵(AlGaAs)分層組成,各具有不同但精確的校準厚度。

這種新的QCL建置還有另一項有趣的特性——僅用非常短的THz輻射脈衝,即可從目標擷取可靠的光譜特徵。由於大約僅需要1%的時間,雷射並不需要像其他THz光源一樣得進行大量冷卻,因而可實現更緊密的解決方案。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Cool Quantum Cascade Laser Speeds Chemical Fingerprinting,by Julien Happich)