大多数激光只有一种颜色。它发出的所有光子都具有完全相同的波长。然而，也有激光，其光线更复杂。如果它由许多不同的频率组成，其间具有相等的间隔，就像梳齿一样，它被称为“频率梳”。频率梳是检测各种化学物质的理想选择。
在TU Wien(维也纳)，这种特殊类型的激光现在用于在微小空间进行化学分析 - 它是一个毫米级的化学实验室。利用这项正在申请专利的新技术，可以以非常简单和稳健的方式在单个芯片上创建频率梳。这项工作现已在Nature Photonics杂志上发表。
诺贝尔奖的梳子
频率梳子已存在多年。2005年，诺贝尔物理学奖获此殊荣。“关于它们的令人兴奋的事情是，建立一个带有两个频率梳的光谱仪相对容易，”研究项目负责人Benedikt Schwarz解释道。“如果你听两种频率相似的不同音调，就可以利用不同频率之间的节拍，类似于声学中出现的节拍。我们使用这种新方法，因为它不需要任何移动部件，并允许我们开发一个毫米级的微型化学实验室。“
在维也纳技术大学，使用量子级联激光器产生频率梳。这些特殊激光器是由许多不同层组成的半导体结构。当电流通过结构发送时，激光器发射红外范围内的光。可以通过调整层结构的几何形状来控制光的属性。
“借助于特定频率的电信号，我们可以控制我们的量子级联激光器并使它们发出一系列光频率，这些频率都耦合在一起，”该出版物的第一作者Johannes Hillbrand说。这种现象让人想起摇摆架上的摆动 - 而不是推动单个摆动，可以使脚手架以正确的频率摆动，导致所有摆动以某些耦合模式振荡。“我们技术的最大优势是频率梳的坚固性，”Benedikt Schwarz说。如果没有这种技术，激光对干扰非常敏感，这些干扰在实验室外是不可避免的 - 例如温度波动或将一些光线反射回激光的反射。“ 我们的技术可以很轻松地实现，因此即使在困难的环境中也非常适合实际应用。基本上，我们需要的组件可以在每部手机中找到，“Schwarz说。
分子指纹
量子级联激光器在红外范围内产生频率梳的事实是至关重要的，因为许多最重要的分子可以在该频率范围内被光检测到。“各种空气污染物，以及在医学诊断中发挥重要作用的生物分子，吸收非常特定的红外光频率。这通常被称为分子的光学指纹，”Johannes Hillbrand解释说。“因此，当我们测量，哪种红外频率被气体样品吸收时，我们可以准确地确定它含有哪种物质。”
微芯片中的测量
“由于其坚固性，我们的系统具有超越所有其他频率梳技术的决定性优势：它可以轻松实现小型化，”Benedikt Schwarz说。“我们不需要镜头系统，没有移动部件，也没有光学隔离器，必要的结构很小。整个测量系统可以安装在毫米级的芯片上。”
这产生了惊人的应用思路：人们可以将芯片放在无人机上并测量空气污染物。胶粘在墙上的芯片可以搜索建筑物中的爆炸物质痕迹。这些芯片可用于医疗设备，通过分析呼吸空气中的化学物质来检测疾病。
新技术已获得专利。“其他研究团队已经对我们的系统非常感兴趣。我们希望它不仅可以用于学术研究，还可以用于日常应用，”Benedikt Schwarz说。