Современная электроника №7/2025

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 25 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 7 / 2025 НОВОСТИ МИРА. ЧИТАЙТЕ НА ПОРТАЛЕ WWW.CTA.RU Новый лазерный «гребень» обеспечивает сверхточную идентификацию химических веществ в реальном времени Учёные из Массачусетского технологи- ческого института (MIT) разработали уль- тракомпактный инфракрасный частотный гребень с рекордной шириной полосы про- пускания – прорыв, который может рево- люционизировать портативную и дистан- ционную спектроскопию. Это устройство способно быстро и с предельной точностью обнаруживать и идентифицировать химиче- ские вещества, включая следовые загрязни- тели в атмосфере, что открывает новые воз- можности для экологического мониторинга, медицинской диагностики и безопасности. Что такое частотный гребень? Оптический частотный гребень – это спе- циальный тип лазера, генерирующий ряд точно расположенных лазерных линий, напоминающих зубья гребня. Эти «зуб- цы» служат как высокоточная линейка для измерения частот света. Благодаря своей стабильности и равномерности частотные гребни позволяют с исключительной точно- стью определять спектральные «отпечат- ки» молекул – уникальные поглощения све- та на определённых длинах волн, характер- ные для каждого химического соединения. Особенно эффективны гребни в длинно- волновом инфракрасном диапазоне (LWIR), где многие молекулы, включая парниковые газы, токсины и летучие органические сое- динения, имеют сильные и характерные по- лосы поглощения. Почему ширина полосы имеет значение Чем шире полоса пропускания гребня, тем больше химических веществ он может обнаружить одновременно. Однако расши- рение полосы наталкивается на серьёзное препятствие – оптическую дисперсию. Ког- да свет проходит через материал, разные длины волн ведут себя по-разному, что на- рушает равномерность «зубьев» гребня и делает его бесполезным. «Дисперсия – главный враг широкополос- ных частотных гребней, особенно в инфра- красном диапазоне, где она особенно силь- на, – говорит Цин Ху, заслуженный профес- сор электротехники и компьютерных наук в MIT, руководитель исследования. – Вместо того чтобы её избегать, мы сделали её цен- тральным элементом нашей разработки и научились её контролировать». Ключ к успеху: зеркало с двойным чир- пированием Решение нашлось в адаптации техно- логии, ранее разработанной командой Ху для терагерцовых лазеров: зеркало с двой- ным чирпированием (DCM – Double-Chirped Mirror). Это многослойное оптическое зерка- ло, в котором толщина слоёв плавно изме- няется по длине, что позволяет компенси- ровать дисперсию за счёт точной настрой- ки отражения различных длин волн. Перенести эту технологию на инфракрас- ный диапазон оказалось непросто. Инфра- красные волны в 10 раз короче, чем тера- герцовые, что требует нанометровой точно- сти при изготовлении. Кроме того, зеркало нужно было покрыть толстым слоем золо- та для отвода тепла, а стандарт- ные методы измерения диспер- сии не работали на таких высо- ких частотах. Команда разработала новую платфор- му для измерения дисперсии в инфракрас- ном диапазоне, не требующую громоздко- го внешнего оборудования. Это позволи- ло им точно проектировать и настраивать DCM для конкретных лазеров. Интеграция и миниатюризация Ключевым достижением стало полное ин- тегрирование DCM в сам лазер. Это сдела- ло устройство чрезвычайно компактным – без движущихся частей и внешних компо- нентов. Устройство стало по-настоящему масштабируемым и пригодным для массо- вого производства. «Соседние слои зеркала отличаются все- го на десятки нанометров, – говорит Тяньи Цзэн, ведущий автор исследования, доктор MIT. – Такой уровень точности недостижим с помощью обычной фотолитографии. Нам пришлось разработать специальные мето- ды травления, чтобы достичь нужной глу- бины и геометрии в сложных многослой- ных структурах». Как это работает: двухгребенчатая спектроскопия Новый гребень идеально подходит для метода, называемого двухгребенчатой спек- троскопией (DCS). В этой технике два иден- тичных частотных гребня используются од- новременно: ● один луч проходит напрямую к детекто- ру (референсный сигнал), ● второй проходит через исследуемый об- разец, где молекулы поглощают опреде- лённые длины волн. Сравнивая два сигнала, система может с высокой точностью восстановить хими- ческий состав образца – даже при крайне низких концентрациях. Благодаря широкой полосе пропускания новый гребень способен охватить множе- ство химических соединений за один раз, что делает его мощным инструментом для мониторинга воздуха, обнаружения утечек или анализа выдыхаемого воздуха у паци- ентов. Преимущества для реального мира Технология открывает путь к созданию: ● портативных спектрометров для полевых исследований и экологического контроля, ● дистанционных датчиков, способных об- наруживать опасные вещества на рассто- янии (например, в аэропортах или про- мышленных зонах), ● миниатюрных систем диагностики для ме- дицинского применения. «Наш подход гибкий, – подчёркивает Ху. – Пока мы можем измерить дисперсию, мы можем спроектировать DCM, который её компенсирует. Это означает, что нашу технологию можно адаптировать под раз- ные лазерные платформы и диапазоны». Что дальше? В перспективе исследователи планиру- ют расширить свою методологию на дру- гие типы лазеров, чтобы создавать греб- ни с ещё большей полосой пропускания и мощностью – для более сложных и требо- вательных приложений, включая космиче- ские миссии и квантовые технологии.