多數激光器只發射一種顏色的激光，即激光器發射出所有光子的波長相同。然而，也有發射更復雜光的激光器。如果激光器由許多不同頻率、均勻間隔的頻率分量組成，就像梳齒一樣，被稱為“頻率梳”。頻率梳是檢測各種化學物質的完美工具。

維也納技術大學（TU Wien）開發的激光系統創造出了一系列均勻間隔的頻率光譜（圖片來源：TU Wien）

據麥姆斯咨詢報道，維也納技術大學（Vienna University of Technology，簡稱TU Wien）的這種特殊類型的激光器目前被用于微小空間（毫米級化學實驗室）的化學分析。有了這項正在申請專利的新技術，頻率梳可實現在單個芯片上以非常簡單而可靠的方式創建。這項研究已經發表于《自然·光子學》（Nature Photonics）雜志。

榮獲諾貝爾獎的“頻率梳”

頻率梳其實已存在多年，2005年的諾貝爾物理學獎就是頒發給它的。該研究項目負責人Benedikt Schwarz解釋說：“最令人興奮的是，用兩個頻率梳制造光譜儀相對容易。就像聲波一樣，兩個頻率相近的音調會產生拍頻，我們也可以利用不同頻率光譜之間的拍頻。我們就使用這種新方法，無需任何活動部件，實現在毫米尺寸開發微型化學實驗室。”

TU Wien的頻率梳是使用量子級聯激光器制造的。這些特殊的激光器是一種由不同層組成的半導體結構。當電流通過該結構時，激光器會發出紅外范圍內的光。光的屬性可以通過調整層結構的幾何形狀來控制。

該論文的第一作者Johannes Hillbrand這樣解釋道：“在特定頻率電信號的幫助下，我們可以通過控制量子級聯激光器，讓它們發出一系列耦合在一起的光頻率。”這種現象可以讓我們聯想到搖擺架上的秋千：你可以通過以合適的頻率搖晃腳手架來代替推動秋千，從而引起所有秋千以特定耦合模式擺動。“我們技術最大的優勢就是利用了頻率梳的魯棒性，”Benedikt Schwarz說。沒有這項技術，激光器會對如溫度波動或反射等外界不可避免的干擾非常敏感，這些干擾會將部分光線反射回激光器。Schwarz說：“我們的技術實現起來非常容易，因此即使在困難環境中，它也很符合實際應用。基本上，我們需要的元件可在每部手機中找到。”

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至關重要，這是因為許多最重要的分子在該頻率范圍內最容易被光探測到。“各種空氣污染物，以及在醫學診斷中扮演重要角色的生物分子，都會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解釋道。“因此，當我們測量氣體樣品吸收了哪些紅外頻率時，我們就能準確地判斷出氣體中含有的物質種類。”

實現微芯片激光測量

“由于我們激光器的魯棒性，因此我們系統與其他所有頻率梳技術相比具有決定性的優勢：激光系統的微型化很容易實現，”Benedikt Schwarz說，“我們的激光器無需透鏡系統，無需移動部件，也不需要光學隔離器，因此必要結構可以做的非常微小。整個測量系統可容納于毫米尺寸的芯片上。”

這就意味著極大地拓寬了激光系統應用范圍：可以把芯片放在無人機上，用于測量空氣污染物；可以將芯片貼在墻上，用于建筑物中搜尋爆炸物的蹤跡。該芯片還可用于通過分析空氣中的化學物質來檢測疾病的醫療設備。

這項新技術已申請了專利。Benedikt Schwarz說：“已有許多其他研究團隊對我們的系統非常感興趣。我們希望這個系統不僅能夠用于學術研究，并且還能很快用于日常應用。”