一種新的採用兩個頻率梳的基於晶片的頻分計已經由美國加州理工學院的物理學家們開發出來。精密光譜系統是基於脈衝雷射的，並會使用一種被稱為雙梳光譜的技術。這使得它將會實現高一千倍的精確度，近一百萬倍的速度，相比今天使用的標準工具。基於毫米大小的矽晶片，該裝置能夠實時對生物或環境樣品的化學成分分析，並為精確的可攜式設備創造的重要一步。專家說，這樣的設備可以實現一些醫療和軍事應用。
光譜學是一種功能強大的工具，廣泛應用於各種科學領域，包括天體物理學、生物學和化學，以確定未知樣品的化學成分。它使用所基於的一個事實，即一個物質吸收光的頻率，被稱為它的吸收光譜，可以作為一個「指紋」，揭示物質中的原子和分子情況。這些化學指紋的準確性取決於一個光譜儀如何精確地分辨這些吸收頻率。
這種新型的基於晶片的頻分計是由Kerry Vahala和他的同事們創建的，它提供了一個解決方案，比傳統的光柵光譜儀擁有好約一千倍的精確度。「光譜學家，如果你可以給他們更大的解析度，他們永遠使用它，」Vahala說。
寬帶脈衝
雙梳光譜技術的第一次證明大約是十年前，一些已經實現了解析度相比傳統的要高出1000萬倍。它使用兩個被稱為頻率梳的兩個雷射器，每個雷射器發出飛秒長脈衝。與在一個狹窄的頻帶發射的標準雷射器，頻率梳有一個寬的頻譜組成的許多數百或數千的狹窄，等間隔的峰，像梳子的牙齒。這意味著梳子是能夠同時檢查多條吸收譜線的。
一個頻率梳可被調整，使得它的齒之間的間距稍大於在其他梳的間距。從第一頻梳的光照亮的材料，它吸收特定波長取決於它的化學成分。當所產生的光與第二梳的光混合時，輸出包括等於兩個梳之間的頻率差的射頻包絡信號。這個包絡是一個拍頻，這和由兩個有差別的吉他弦和弦產生類似。
一個周期的微秒尺度包絡包含樣品整個的光譜信息。因此，通過電子處理的一個周期信號，其頻譜就會在微秒時間內產生。與之相反的是，使用衍射光柵的光譜儀需要大約一分鐘的時間來獲得相同的信息。
小型化加速
雖然桌面尺寸的頻率梳已經存在了超過十年，努力縮小這些系統晶片規模在過去兩年裡正在漸漸實現。「製作這種晶片正形成一種競爭，」Vahala說，他的研究團隊是世界上如今能夠成功實現毫米大小的頻率梳的為數不多的幾個之一。
他們生產的實現兩頻率梳的部分是在直徑3毫米兩塊玻璃環的晶片上，稱為微諧振器。一種不同的雷射將光引導到每個玻璃環的空腔中。每個環放大其中的光創建稱為孤子脈衝組成的頻率梳。該研究小組通過測量氫氰化物的光譜，驗證了該晶片的準確性，它具有匹配兩個梳所產生的頻率範圍的吸收線。Vahala說，該研究團隊正在擴大的頻率的小頻梳的可生成數。
根據中佛羅裡達大學的頻率梳的專家Peter Delfyett說明，科研的資助機構如美國美國的國防高級研究計劃局已經「投資」了這些高精度光譜學技術，他沒有參與雙頻梳晶片的研發。基於晶片的技術是特別容易引起興趣，因為微型系統在各種不同的任務中可能是是特別有用的。一個晶片可以安裝在遠程環境監測、無人機中為例，或用類似測醉儀來診斷疾病。他們甚至可能實現一些「我們還無法知道」的應用程式，Delfyett說。
而基於晶片的頻分計的技術細節仍需要改進，Delfyett預測，這項技術將在不到十年內其商業化的時機就會成熟。「我非常鼓勵努力的科學界的大量投入這些頻率梳源技術中，」他說。
這項研究的相關論文已發表在《科學》雜誌上。