MIT、新しいレーザ「コム」で化学物質を即時、迅速に同定

September, 5, 2025, Cambridge--超広帯域赤外線周波数コームは、ポータブル分光計や高解像度リモートセンサでの化学検出に使用できる。

光周波数コームは、特定の周波数の光を正確かつ迅速に測定するために定規のように機能する特別に設計されたレーザである。化学物質や汚染物質を非常に高精度に検出および識別するために使用できる。

周波数コームは、複雑な可動部品や外部機器を使用せずに複数の化学物質を正確かつリアルタイムに監視できるため、リモートセンサやポータブル分光計に最適である。

しかし、これらのアプリケーションに十分な帯域幅を備えた周波数コムを開発することは難題だった。多くの場合、研究者は、スケーラビリティとパフォーマンスを制限するかさばるコンポーネントを追加する必要がある。

現在、MITの研究者チームは、慎重に作られたミラーを使用して、非常に広い帯域幅で安定した周波数コームを生成する、コンパクトで完全に統合されたデバイスを実証した。チームが開発したミラーは、オンチップ測定プラットフォームとともに、大量生産可能なリモートセンサやポータブル分光計に必要な拡張性と柔軟性がある。この開発により、大気中の微量ガスから複数の有害な化学物質を特定できる、より正確な環境モニタが可能になる。

「分光計の帯域幅が広いほど、より強力になるが、分散が邪魔になる。ここでは、帯域幅を制限する最も難しい問題を取り上げ、それを研究の中心にし、堅牢な周波数コム動作を確保するためのあらゆるステップに取り組んだ」と、MITの電気工学およびコンピュータサイエンスの特別教授、電子工学研究所の主任研究者、この研究を説明するオープンアクセス論文の上級著者Qing Huはコメントしている。

この研究は、Light: Science and Applicationsに掲載された。

ブロードバンドコーム
光周波数コームは、コームの歯に似た等間隔のレーザラインのスペクトルを生成する。

科学者は、さまざまな波長に対して数種類のレーザを使用して周波数コムを生成できる。量子カスケードレーザ(QCL)などの長波赤外線を発生させるレーザを使用することで、高解像度のセンシングや分光法に周波数コームを使用できる。

デュアルコム分光法(DCS)では、一方の周波数コームのビームがシステムをまっすぐに通過し、もう一方の端で検出器に当たる。2番目の周波数コームのビームは、同じ検出器に当たる前に化学サンプルを通過する。両方のコームの結果を使用して、科学者はサンプルの化学的特徴をはるかに低い周波数で忠実に再現でき、信号を簡単に分析できる。

周波数コームは高帯域幅でなければならず、そうしないと化合物の狭い周波数範囲しか検出できず、誤報や不正確な結果につながる可能性がある。

分散は、周波数コームの帯域幅を制限する最も重要な要素である。分散がある場合、レーザラインの間隔が等しくないため、周波数コームの形成と互換性がない。

「長波赤外線放射では、分散が非常に大きくなる。それを回避する方法がないため、システムを設計することでそれを補うか、打ち消す方法を見つける必要がある」とHuは言う。

既存のアプローチの多くは、さまざまなシナリオで使用できる柔軟性がなかったり、十分な帯域幅を有効にできない。

Huのグループは以前、double-chirped mirror(DCM)を開発することで、THz波を使用する別のタイプの周波数コームでこの問題を解決した。

DCMは、一方の端からもう一方の端まで徐々に変化する厚さを持つ複数の層を持つ特殊なタイプの光学ミラーである。チームは、波形構造を持つこのDCMが、THzレーザと併用することで分散を効果的に補正できることを発見した。

「このトリックを借りて赤外線コームに適用しようとしたが、多くの課題に遭遇した」(Hu)。

赤外線はテラヘルツ波の10倍短いため、新しいミラーの製造には極めて高い精度が必要だった。同時に、レーザ操作下での熱を除去するために、DCM全体を厚い金の層でコーティングする必要があった。さらに、THz波用に設計された分散測定システムは、THzの約10倍の周波数を持つ赤外線では機能しない。

「この計画を実施しようと2年以上続けた後、われわれは苦境にたどり着いた」(Hu)。

新しいソリューション
タオルを投げる準備ができていたチームは、自分たちが見逃していた何かに気づいた。損失のあるテラヘルツレーザを補うために波形でミラーを設計したが、赤外線源はそれほど損失がない。

これは、標準的なDCM設計を使用して分散を補正でき、赤外線と互換性があることを意味した。しかし、レーザのビームを捉えるために湾曲したミラー層を作成する必要があり、製造が通常よりもはるかに困難になった。

「隣接するミラーの層は数十ナノメートルしか違わない。このレベルの精度では、標準的なフォトリソグラフィ技術は不可能である。その上、頑固なことで有名な素材のスタックに深く刻み込む必要があった。これらの重要な寸法とエッチング深さを達成することが、ブロードバンドコームの性能を引き出す鍵だった」(Zeng)。DCMを精密に製造することに加えて、ミラーをレーザに直接統合し、デバイスを非常にコンパクトにした。チームはまた、かさばる外部機器を必要としない高解像度のオンチップ分散測定プラットフォームも開発した。

「われわれのアプローチは柔軟だ。われわれのプラットフォームを使用して分散を測定できる限り、それを補正するDCMを設計および製造できる」(Hu)。

DCMとオンチップ測定プラットフォームを組み合わせることで、チームはDCMなしで通常達成できるよりもはるかに広い帯域幅を持つ安定した赤外線レーザ周波数コムを生成することができた。

将来的には、研究チームは、より要求の厳しいアプリケーション向けに、さらに大きな帯域幅と高出力のコームを生成できる他のレーザプラットフォームにもアプローチを拡張したいと考えている。