Высококачественные микрорезонаторы длинноволнового инфракрасного диапазона на основе самородного германия.
Что, если бы был гаджет, который мог бы в кратчайшие сроки проверить, есть ли у вас COVID или грипп, или, может быть, он даже обнаружил бы, что у вас диабет, не зная об этом? Устройство может понять все это без необходимости идти к врачу или в лабораторию.
Эта технология может стать реальностью в течение нескольких лет, и инженеры- электрики — одни из тех, кто делает возможным создание таких устройств, которые содержат ключевой компонент, называемый микрорезонатором режима шепчущей галереи .
Новая технология обеспечивает улучшенные оптические датчики, которые важны для электроники, включая устройства, которые анализируют химические вещества с помощью света.
«Мы создали микрорезонатор с режимом шепчущей галереи с наименьшими потерями для длинноволнового инфракрасного спектра. Поскольку длинноволновый инфракрасный спектр дает точную информацию о химических веществах, он открывает новые возможности для сенсорных приложений», — говорит Дингдин Рен, исследователь из отдела NTNU. Электронные системы.
Рен и его коллеги разработали новый микрорезонатор в режиме шепчущей галереи, который может намного дольше сохранять свет для определенных длин волн в резонансе.
«Наш микрорезонатор примерно в 100 раз лучше, чем то, что было доступно ранее для длинноволнового инфракрасного спектра», — говорит Рен.
«Он может удерживать свет в 100 раз дольше, чем предыдущие версии, что усиливает внутреннее оптическое поле и значительно упрощает нелинейные процессы, такие как генерация частотной гребенки», — сказал он.
Рен и его коллеги внесли свой вклад в разработку целого набора процессов нанопроизводства для изготовления микрорезонаторов. Их результаты были недавно представлены в Nature Communications.
Открывает большие возможности
Более эффективное хранение световых волн в инфракрасной части светового спектра является хорошей новостью для нескольких типов новых технологий, особенно для обнаружения частиц и спектроскопической химической идентификации, которые анализируют образец газа или жидкости для проверки на наличие вирусов, бактерий и других гадостей, которые вы можете имеют.
Новый микрорезонатор означает, что с помощью этих устройств ученые могут разрабатывать широкополосные частотные гребенки в длинноволновом инфракрасном спектре. А что это могут быть?
Частотные гребенки — это лазерные лучи, спектр которых состоит из серии дискретных, равноотстоящих друг от друга частотных линий. Их можно найти в различных местах, например, в вашем GPS, в атомных часах и в оптоволоконном оборудовании, используемом в телефонах и компьютерах. Эта технология также открывает двери для одновременного анализа нескольких химических веществ, если доступна широкополосная частотная гребенка в длинноволновом инфракрасном спектре.
«Технология все еще находится на начальной стадии, когда речь идет об измерениях в длинноволновом инфракрасном спектре света. Но наше усовершенствование дает нам возможность в ближайшем будущем идентифицировать несколько различных химических веществ в режиме реального времени», — сказал Рен.
Такие спектроскопические машины уже существуют, но они такие большие и дорогие, что их могут себе позволить только больницы и крупные бюджетные учреждения. Другие, немного более простые машины могли бы анализировать несколько химических веществ, но не многие сразу — в отличие от того, что могла бы сделать новая технология.
Рен тесно сотрудничал с профессором Дэвидом Бургхоффом и его коллегами из Университета Нотр-Дам в США.
«Конкуренция в этой области жесткая, — говорит Рен.
Новый микрорезонатор выполнен с использованием германиевого элемента. Этот материал может показаться экзотическим, но он был использован в первом в мире транзисторе еще в 1947 году, до того, как кремний захватил этот рынок.
Сегодня германий часто используется в оптических линзах в датчиках и инфракрасных камерах, и, следовательно, он не является ни особенно редким, ни дорогим. Это также является преимуществом при выводе теории на рынок.
Что такое микрорезонаторы?
Микрорезонаторы, представляющие собой тип оптического резонатора, могут хранить оптические поля в очень небольшом объеме. Они могут быть выполнены в виде гоночной дорожки или геометрии диска, но обычно имеют микроразмеры, похожие на толщину волоса. Свет распространяется внутри микрорезонатора по кругу, поэтому оптическое поле усиливается.
«Мы можем сравнить микрорезонатор со звуком в шепчущей галерее собора Святого Павла в Лондоне», — говорит Рен.
Эта эллиптическая галерея произвела известное явление. Вы можете шептать на одном конце, и люди на другом конце комнаты могут слышать вас, хотя обычно они не могут вас слышать на таком расстоянии. Звуковые волны усиливаются формой комнаты и стен, так световые волны ведут себя в микрорезонаторе.
«Мы пообещали, что разработаем лучший микрорезонатор, и нам это удалось», — сказал Рен.
Бьорн-Уве Фимланд и Астрид Акснес, оба профессора кафедры электронных систем NTNU, давали советы.
«Тот факт, что теперь мы можем измерять в длинноволновом ИК-диапазоне (8-14 мкм, или микрометры) светового спектра , открывает множество возможностей для использования в визуализации и обнаружении, мониторинге окружающей среды и биомедицинских приложениях», — говорит Акснес.
«Многие молекулы имеют основные колебательные полосы в средневолновом ИК-диапазоне (2–20 мкм), так называемую «область молекулярных отпечатков пальцев». Измеряя в этом диапазоне волн, мы достигаем более высокой чувствительности», — говорит она.
