Nowe lasery umożliwiają precyzyjne typowanie molekularne
Na widmo elektromagnetyczne składają się wszystkie możliwe długości fal promieniowania elektromagnetycznego (i odpowiadające im częstotliwości). Konwencjonalne techniki spektroskopii polegają na skanowaniu poszczególnych częstotliwości w celu uzyskania informacji o składzie cząsteczkowym. Grzebień częstotliwości to metoda generowania promieniowania w określonym zakresie z wieloma liniami widmowymi odpowiadającymi wielu częstotliwościom, za której stworzenie przyznano w 2005 r. nagrodę Nobla. W ramach projektu METROCOMB (Femtosecond comb optical parametric oscillators for high-resolution spectroscopy in the mid-infrared) powstało międzynarodowe konsorcjum specjalistów w nowych dziedzinach technologii ultraszybkich laserów, stabilizowanych grzebieni częstotliwości i optycznych oscylatorów parametrycznych. Uczestnicy projektu opracowali laser z optycznym oscylatorem parametrycznym i grzebieniem częstotliwości, uzyskując bezprecedensową czułość i dokładność detekcji. Nazywane laserem z grzebieniem częstotliwości, nowe urządzenie pracuje w zakresie podczerwieni, niedostępnym dla konwencjonalnych laserów tego typu. Może ono zatem potencjalnie zrewolucjonizować spektroskopię w obszarze typowania molekularnego, umożliwiając identyfikację cząsteczek przy pomocy obrazowania w czasie rzeczywistym, wykrywanie śladowych ilości substancji chemicznych oraz analizę medyczną wydychanego powietrza. Optyczny oscylator parametryczny tworzący grzebień femtosekundowy w bliskiej podczerwieni jest pompowany przy pomocy lasera półprzewodnikowego z synchronizacją modów (VECSEL). Zamiast wytwarzania światła o jednej długości fali, grzebień częstotliwości generuje kilka różnych długości fal, tworząc zbiór równomiernie rozmieszczonych częstotliwości. Uzyskane impulsy lasera są ultrakrótkie, oddzielone nanosekundowymi przerwami. Uczestnikom projektu udało się zwiększyć stabilność grzebieni w przedziale długości fal od 1 do 4,5 µm. Kompresja impulsów w konfiguracji VECSEL została przeprowadzona w dwóch etapach. Najpierw wykorzystano kompresor impulsów poza wnęką, używający dwóch siatek dyfrakcyjnych, w celu zmniejszenia czasu trwania impulsów podstawowej wiązki lasera. W drugiej fazie zespół wykorzystał pięciometrowy światłowód utrzymujący polaryzację i wymuszający samomodulację wiązki, co pozwala poszerzyć widmo. Następnie impuls o poszerzonym widmie skompresowano ponownie, utrzymując jego czas trwania poniżej 300 femtosekund. Mocny grzebień femtosekundowy wbudowany w kompaktowy, przenośny i niedrogi system lasera opracowany w ramach projektu METROCOMB może zrewolucjonizować monitorowanie przemysłowe i środowiskowe, a także diagnostykę medyczną i systemy bezpieczeństwa.
Słowa kluczowe
Typowanie molekularne, grzebień częstotliwości, laser, podczerwień, spektroskopia, metrologia
