Лазерный мир

Частотные гребенки — это лазерные линейки для точного и быстрого измерения определенных частот света. Их используют для обнаружения и идентификации химических веществ, но оборудование зачастую требовалось громоздкое, не подходящее для дистанционных датчиков и портативных спектрометров. Группа исследователей из США представила компактное, полностью интегрированное устройство, генерирующее стабильную частотную гребенку с очень широкой полосой пропускания. Разработка позволяет создавать более точные системы мониторинга окружающей среды.

Оптическая частотная гребенка генерирует спектр равномерно расположенных лазерных линий, напоминающих зубья гребня. Для их создания можно использовать лазеры разных длин волн. К примеру, используя квантовый каскадный лазер, генерирующий длинноволновое инфракрасное излучение, гребенки могут выполнять высокоточное зондирование и спектроскопию.

Частотные гребенки должны иметь широкую полосу пропускания, иначе они смогут обнаруживать лишь узкий диапазон частот химических соединений, что может привести к ложным или неточным результатам, пишет MIT News.

«Чем шире полоса пропускания спектрометра, тем он мощнее, но этому мешает дисперсия. Мы взяли самую сложную проблему, ограничивающую полосу пропускания, и сделали ее центральным элементом нашего исследования, уделив внимание каждому этапу обеспечения надежной работы частотной гребенки», — сказал Ху Цин, профессор Массачусетского технологического института, старший автор статьи.

Дисперсия — важнейший фактор, ограничивающий полосу пропускания частотной гребенки. При ее наличии лазерные линии располагаются неравномерно. «В длинноволновом инфракрасном излучении дисперсия будет очень высокой. Обойти ее невозможно, поэтому, проектируя систему, нам пришлось искать способ компенсации или противодействия», — пояснил Ху.

Прежде его команда уже решила эту проблему для частотной гребенки другого типа, разработав зеркало с двойным чирпированием (DCM). Это особый тип оптического зеркала, состоящего из нескольких слоев, толщина которых плавно меняется от одного конца к другому. Они обнаружили, что DCM, имеющее гофрированную структуру, компенсирует дисперсию при работе с терагерцовым лазером.

Этот же прием ученые применили к инфракрасной гребенке, но столкнулись с множеством проблем. Поскольку инфракрасные волны в десять раз короче терагерцовых, изготовление нового зеркала требовало высочайшей точности. Кроме того, им нужно было покрыть всю DCM толстым слоем золота для отвода тепла, выделяемого лазером. Вдобавок, система измерения дисперсии, разработанная для ТГц-волн, не работала с ИК-волнами.

Решением, найденным после двух лет исследований и экспериментов, стало применение высокоточного DCM, интегрированного напрямую в лазер, что сделало всю конструкцию очень компактной. Кроме того, они создали измерительную платформу высокого разрешения, не требующую громоздкого оборудования. Все это позволило получить стабильные инфракрасные лазерные гребенки с гораздо большей полосой пропускания, чем обычно достигается без DCM.

В будущем исследователи планируют распространить свой подход на другие типы лазеров, которые чтобы генерировать гребенки с еще большей полосой пропускания и более высокой мощностью для более требовательных устройств.

Международная команда ученых разработала компактную сверхширокополосную электрооптическую частотную гребенку, которая помещается в чип меньше монетки. Устройство продемонстрировало высокие показатели оптической точности и ширины полосы пропускания, а также сократило расходы энергии в 17 раз.

Источник: https://hightech.plus/2025/08/21/sozdana-sverhshirokopolosnaya-infrakrasnaya-lazernaya-grebenka