A swept-source dual-comb spectrometer on a chip
本文提出了一种芯片集成式扫频双梳光谱仪，该光谱仪通过使用两个单向跑道型半导体激光器来产生连续可调谐频率梳，克服了传统的微缩化限制，从而在紧凑的形态下实现了高分辨率、抗反馈的光谱分析。
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光不仅仅是一束光线，它还可以是一把尺子。在光谱学领域，科学家利用光来测量分子的独特指纹，从而识别从空气中的污染物到大气中的化学物质等一切事物。为了实现极高的精度，研究人员通常依赖一种被称为“频率梳”的工具。想象一下这样一个光源：它发出的不是单一的颜色，而是大量排列整齐、间距完美的颜色，就像梳子的齿一样。当两把这样的频率梳以略微不同的速度进行干涉时，它们能将隐藏在光中的复杂信息转化为标准电子设备可以读取的信号。这种被称为“双梳光谱学”的技术，实现了无需运动部件即可进行快速、高分辨率的测量。然而，一个重大的障碍一直存在：为了观察分子指纹中最精细的细节，光梳的“齿”必须排列得非常紧密。传统上，创造如此紧密的齿需要体积庞大、占据整个房间的激光谐振腔，这使得将这些强大的仪器构建进小型便携式设备中几乎成为不可能。
一支研究团队现在通过将整个系统缩小到仅指甲盖大小的单芯片上，克服了这一尺寸限制。在最近发表的一项研究中，他们的工作展示了一种使用仅几毫米宽的半导体激光器来产生这些光梳的新方法。该团队并非依靠长物理腔体来产生紧密排列的光频率，而是使用了一种巧妙的电子技巧。他们采用两个形状像赛道一样的微型激光器，并向其注入高频无线电信号。该信号迫使激光器发出宽阔且稳定的梳状光模式。通过稍微调整驱动每个激光器的无线电频率，他们创造了两个频率梳之间必要的速率差。至关重要的是，他们还可以通过电子方式调节激光器，使整个光齿模式在光谱上前后滑动。这种滑动动作填补了宽间距光齿之间的缝隙，使得该设备尽管在激光器尺寸极小的情况下，仍能连续且高分辨率地对光谱进行采样。
该设备本身就是集成技术的杰作。这两个赛道型激光器被构建在由特殊半导体材料制成的芯片上，这些材料在中红外波段发射光线，而中红外正是许多分子强烈吸收光线的区域。由于激光器位于同一块材料上，它们发出的光束在离开芯片时会自动对齐，从而消除了对复杂外部反射镜或透镜进行组合的需求。研究人员通过测量一氧化二氮（一种常见的成分大气成分）的吸收情况，测试了这种新型光谱仪。他们发现，这种芯片级设备能够以媲美大型传统实验室仪器的准确度，重现该气体的详细吸收特征。此外，该设计证明了其卓越的稳健性。在许多激光系统中，即使是极少量的光从反射镜或样品处反射回来，也会导致光束不稳定，从而破坏测量。研究人员特意将设备一半的光反射回激光器中，以测试这种脆弱性。令人惊讶的是，系统保持了稳定并继续产生准确的测量结果，而这在通常情况下需要笨重且昂贵的设备才能防止发生。
这一成就标志着向实现高性能光谱学便携化迈出了重要一步。通过在芯片上直接通过电信号生成并控制这些光梳，为开发不仅体积小巧，而且更易于控制、在现实环境中更耐用的设备打开了大门。研究人员通过将结果与模拟以及使用标准可调谐激光器进行的测量进行对比，验证了他们的发现，确认了这种基于芯片的系统捕捉到了相同的分子细节。虽然目前的设备覆盖了红外光谱的一个特定范围，但此处展示的原理为创建紧凑、可实地部署的传感器开辟了道路，这些传感器能够监测空气质量、检测危险化学品或实时分析化学反应。通过在不牺牲精度的前提下解决尺寸问题，这项工作将双梳光谱学从一种实验室里的奇趣，转变为一种面向更广阔世界的实用工具。
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