大多數激光只有一種顏色。它發出的所有光子都具有完全相同的波長。然而，也有激光，其光線更復雜。如果它由許多不同的頻率組成，其間具有相等的間隔，就像梳齒一樣，它被稱為“頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學物質的理想選擇。

在TU Wien(維也納)，這種特殊類型的激光現在用于在微小空間進行化學分析 - 它是一個毫米級的化學實驗室。利用這項正在申請專利的新技術，可以以非常簡單和穩健的方式在單個芯片上創建頻率梳。這項工作現已在Nature Photonics雜志上發表。

諾貝爾獎的梳子

頻率梳子已存在多年。2005年，諾貝爾物理學獎獲此殊榮。“關于它們的令人興奮的事情是，建立一個帶有兩個頻率梳的光譜儀相對容易，”研究項目負責人Benedikt Schwarz解釋道。“如果你聽兩種頻率相似的不同音調，就可以利用不同頻率之間的節拍，類似于聲學中出現的節拍。我們使用這種新方法，因為它不需要任何移動部件，并允許我們開發一個毫米級的微型化學實驗室。“

在維也納技術大學，使用量子級聯激光器產生頻率梳。這些特殊激光器是由許多不同層組成的半導體結構。當電流通過結構發送時，激光器發射紅外范圍內的光。可以通過調整層結構的幾何形狀來控制光的屬性。

“借助于特定頻率的電信號，我們可以控制我們的量子級聯激光器并使它們發出一系列光頻率，這些頻率都耦合在一起，”該出版物的第一作者Johannes Hillbrand說。這種現象讓人想起搖擺架上的擺動 - 而不是推動單個擺動，可以使腳手架以正確的頻率擺動，導致所有擺動以某些耦合模式振蕩。“我們技術的最大優勢是頻率梳的堅固性，”Benedikt Schwarz說。如果沒有這種技術，激光對干擾非常敏感，這些干擾在實驗室外是不可避免的 - 例如溫度波動或將一些光線反射回激光的反射。“ 我們的技術可以很輕松地實現，因此即使在困難的環境中也非常適合實際應用。基本上，我們需要的組件可以在每部手機中找到，“Schwarz說。

分子指紋

量子級聯激光器在紅外范圍內產生頻率梳的事實是至關重要的，因為許多最重要的分子可以在該頻率范圍內被光檢測到。“各種空氣污染物，以及在醫學診斷中發揮重要作用的生物分子，吸收非常特定的紅外光頻率。這通常被稱為分子的光學指紋，”Johannes Hillbrand解釋說。“因此，當我們測量，哪種紅外頻率被氣體樣品吸收時，我們可以準確地確定它含有哪種物質。”

微芯片中的測量

“由于其堅固性，我們的系統具有超越所有其他頻率梳技術的決定性優勢：它可以輕松實現小型化，”Benedikt Schwarz說。“我們不需要鏡頭系統，沒有移動部件，也沒有光學隔離器，必要的結構很小。整個測量系統可以安裝在毫米級的芯片上。”

這產生了驚人的應用思路：人們可以將芯片放在無人機上并測量空氣污染物。膠粘在墻上的芯片可以搜索建筑物中的爆炸物質痕跡。這些芯片可用于醫療設備，通過分析呼吸空氣中的化學物質來檢測疾病。

新技術已獲得專利。“其他研究團隊已經對我們的系統非常感興趣。我們希望它不僅可以用于學術研究，還可以用于日常應用，”Benedikt Schwarz說。