حسگرهای شیمیایی فوق‌حساس با استفاده از تراشه لیزر آبشار کوانتومی

مهندسانی از دانشگاه هاروارد یک حسگر لیزر آبشار کوانتومی قابل‌حمل، فشرده و پرکاربرد ساخته‌اند که در محدوده وسیعی از طول موج‌ها قابل تنظیم است و قابلیت آشکارسازی سریع تعداد بسیار زیادی از مواد شیمیایی که شامل گازهای بسیار رقیق تا مایعات می‌شوند، را دارد.

مهندسانی از دانشگاه هاروارد یک حسگر لیزر
آبشار کوانتومی قابل‌حمل، فشرده و پرکاربرد ساخته‌اند که در محدوده وسیعی
از طول موج‌ها قابل تنظیم است و قابلیت آشکارسازی سریع تعداد بسیار زیادی
از مواد شیمیایی که شامل گازهای بسیار رقیق تا مایعات می‌شوند، را دارد.

کاربردهای این حسگر بسیار زیاد است و شامل تجهیزات پزشکی مانند آنالیز تنفس،
پایش آلودگی و حسگرهای محیطی برای گازهای گلخانه‌ای که عامل اصلی گرم‌‌شدن
زمین هستند، می‌شود.

این طیف گسیلی وسیع از مواد لیزری آبشار کوانتومی، که با استفاده از
راکتورهای تجاری استفاده‌شده‌ در تولید انبوه لیزرهای نیم‌رسانا تهیه می‌شوند،
با استفاده از فناوری پیشرفته نانو و با کنترل اندازه‌های نانومتری چاه‌های
کوانتومی در ناحیه فعال طراحی شده است. سپس یک آرایه از ۳۲ لیزر، که هر
کدام برای یک طول موج خاص طراحی شده‌اند، با استفاده از تکنیک‌های
استاندارد فرآوری نیم رسانا، روی یک تراشه‌ای که به‌اندازه یک چهارم یک سکه‌
امریکایی است، ساخته شده است. یک ریزرایانه به طور منفرد روشن شده و مکان
هر لیزر را در داخل آرایه به طور مطلوب تنظیم می‌کند. این عمل باعث دست
یافتن به یک طیف طول موجی قابل تنظیم می‌شود که می‌تواند برای آشکارسازی
تعداد بسیار زیادی از ترکیبات شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.

میخائیل بلکین از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد می‌گوید:
«طیف‌سنجی لیزری همه کاره ما در حال حاضر در بازه طول موج ۴/۹-۷/۸ میکرومتر
گسیل می‌کند. این بازه طول موج به ناحیه اثر انگشت موسوم است و خواص جذبی
اکثر مولکول‌ها که در حقیقت شاخص آنها می‌باشد، در این ناحیه قرار می‌گیرد.

این توانایی در طراحی چنین طیف‌سنج‌هایی باعث برچیده‌‌شدن طیف‌سنج‌های
جاگیر و بزرگ مادون قرمز خواهد شد که هم اکنون در آشکارسازی و آنالیز
شیمیایی استفاده می‌شوند. قابلیت کوک‌پذیری این تراشه لیزری می‌تواند تا ۱۰
برابر افزایش یابد در این صورت شاخص‌های جذبی دور از هم نیز می‌توانند با
همان تراشه ‌شناسایی شوند و این منجر به آشکارسازی همزمان تعداد زیادی از
گازها با غلظت‌های ppm خواهد گردید. چنین طیف‌سنج قابل‌حمل و فشرده می‌تواند
انقلابی در حسگرهای شیمیایی ایجاد کند.

کاپاسو، یکی از مخترعین لیزرهای آبشاری کوانتومی در سال ۱۹۹۴ در آزمایشگاه
بل، می‌گوید: «این تراشه‌های لیزری میلی‌متری می‌توانند از تنوع طول موج
لیزرهای آبشار کوانتومی استفاده کنند. به عنوان اولین کاربرد ما نشان داده‌ایم
که این حسگرهای فشرده و کوک‌پذیر می‌توانند طیف مایعات را با همان دقت و با
قابلیت بازتولید بهترین طیف‌سنج‌های مادون قرمزی، اندازه‌گیری کنند؛ افزون
بر اینکه دارای قدرت تفکیک طیفی بالاتری نیز هستند.

این محققان نتایج کار خود را در مجله Applied Physics Letters منتشر کرده‌اند.