Laser z Harvardu zmenší laboratorní spektrometry na mikročip: Přinese revoluci v detekci plynů

Vědci z Harvardovy univerzity a Technické univerzity ve Vídni vyvinuli miniaturní laser, který by mohl zmenšit výkonné systémy pro detekci plynů na kompaktní, přenosné nástroje.

Vědci z Harvardovy univerzity a Technické univerzity ve Vídni vyvinuli miniaturní laser, který by mohl zmenšit výkonné systémy pro detekci plynů na kompaktní, přenosné nástroje. Toto zařízení, označované jako „laser ve tvaru závodní dráhy“, dokáže vykonávat práci celého laboratorního stolu, ale s velikostí mikročipu.

Nový laser, vytvořený aplikovanými fyziky z Harvardovy školy inženýrství a aplikovaných věd Johna A. Paulsona, produkuje stabilní frekvenční hřeben ve střední infračervené oblasti. Tato oblast je klíčová pro detekci plynů, jako je oxid uhličitý a metan. Zařízení využívá prstencový design „závodní dráhy“ založený na kvantovém kaskádovém laseru, kde světlo cirkuluje uvnitř smyčky extrémně vysokou rychlostí. Tato geometrie pomáhá laseru generovat frekvenční hřeben, který vyzařuje mnoho rovnoměrně rozmístěných vlnových délek. Frekvenční hřebeny jsou základem pro přesné měřicí nástroje, umožňující vědcům detekovat nepatrné změny v absorpci světla, což je nezbytné pro monitorování životního prostředí a průmyslové senzory.

Tradiční systémy pro generování frekvenčních hřebenů jsou objemné a citlivé na optickou zpětnou vazbu. Tým z Harvardu tento problém vyřešil novou architekturou. Laser přepracovali do rezonátoru s uzavřenou smyčkou, který nutí světlo cestovat pouze jedním směrem. Jakékoli odražené světlo se pohybuje opačným směrem a rychle mizí. Navíc zavedli elektronickou metodu řízení, kdy připojili kovové sondy k čipu a řídili laser pomocí radiofrekvenčního signálu, který odpovídá frekvenci zpáteční cesty světla. Tento přístup odstraňuje potřebu externích stabilizačních komponent a zlepšuje spolehlivost v reálných podmínkách. Testy ukázaly, že design „závodní dráhy“ udržel stabilní výstup i při přímém odrazu světla zpět do laseru, což by standardní systémy nezvládly.

Tento průlom by mohl zjednodušit duální hřebenové spektrometry, které v současnosti zabírají velké laboratorní prostory. Integrací více laserů „závodní dráhy“ na jediný čip by inženýři mohli tuto schopnost replikovat v kompaktní formě. Každý laser by mohl běžet na vlastním radiofrekvenčním signálu a společně by prováděly přesná měření bez objemné optiky. Tato změna by měla významný dopad na několik odvětví. Monitorování životního prostředí by získalo přenosné senzory skleníkových plynů, průmyslové závody nástroje pro monitorování procesů v reálném čase a lékařská diagnostika by mohla pokročit, včetně dechových testů. Výzkum navazuje na dřívější práci v oblasti kvantových kaskádových laserů, kterou před desítkami let průkopnicky zahájil Federico Capasso a jeho spolupracovníci. Nejnovější design posouvá tuto technologii k praktickým a škálovatelným aplikacím, což by mohlo přesunout přesnou spektroskopii ze specializovaných laboratoří do terénu, továren a klinických prostředí.