Meta-linser bringer ydeevne på bordpladen til små, håndholdt spektrometer

Et forskergruppe af fysikere fra Harvard University har udviklet nye håndholdte spektrometre, der kan levere samme ydeevne som store, bordplader. Forskernes innovation forklarede denne uge i APL Photonics , stammer fra deres banebrydende arbejde i meta-linser. De håndholdte spektrometre giver et reelt løfte til applikationer lige fra sundhedsdiagnostik til miljø- og fødevaremonitering.

Spektrometre er instrumenter, der i vid udstrækning bruges til at kvantificere tilstedeværelsen af ​​forskellige biologiske eller kemiske forbindelser baseret på deres interaktion med lys. Imidlertid, at være et praktisk værktøj for brugerne, f.eks. læger ved sengen eller fødevaresikkerhedsinspektører ude på marken, spektrometre skal være bærbare, billig og let at bruge uden specialudstyr eller træning. Typisk, imidlertid, der er en iboende afvejning mellem spektrometerets størrelse og ydeevne. For at opretholde ydeevnen og samtidig reducere spektrometerstørrelsen, dette forskerteam har udviklet et spektrometer, der indeholder meta-linser, der kombinerer funktionaliteterne i et traditionelt gitter- og fokuseringsspejl til en enkelt komponent, samt at have meget større evne til rumligt at adskille bølgelængder (den såkaldte dispersion). I alt, den samlede størrelse af spektrometeret reduceres betydeligt uden at gå på kompromis med ydeevnen.

"Denne forskning har sine rødder helt tilbage til 2011, da vi undersøgte lysets grundlæggende egenskaber, når det interagerer med todimensionale metamaterialer (metasurfaces) og opdagede generaliserede love for brydning og refleksion af lys til metasurface, som er kraftfulde generaliseringer af læreboglovene gældende for almindelige overflader, "forklarede Federico Capasso fra Harvard.

I modsætning til traditionelle ildfaste linser, der er millimeter tykke og har en karakteristisk buet overflade, en meta-linse er en helt flad eller plan linse, der består af millioner af nanostrukturer. Ved hjælp af litografiske teknikker, korrekt placering og fremstilling af disse nanostrukturer muliggør lignende eller bedre funktionaliteter sammenlignet med traditionelle linser. Disse metalinser kan tilpasses til en brugers specifikationer, og masseproduceret ved hjælp af de samme støberier, der producerer computerchips. "Af disse grunde, vi mener, at meta-linser er game-changers, "Sagde Capasso." Faktisk vores arbejde med metalenses i det synlige, udgivet sidste år, blev udråbt af Science magazine som et af årets største gennembrud i 2016. "

"De potentielle anvendelser af disse nye mindre spektrometre er betydelige for bærbar overvågning af biologiske og kemiske forbindelser," siger Alex Zhu, hovedforfatter til papiret. "For eksempel, læger kunne bringe diagnostiske muligheder på hospitalsniveau til patienter på området, hvor sofistikeret udstyr og højtuddannet personale ikke er tilgængeligt, levering af data i en tidsperiode på minutter til timer, i modsætning til dage eller uger fra sædvanlige kemi-baserede metoder. "Det samme gælder for miljøovervågning:Data om forurenende stoffer, eller giftige kemikalier kunne opsamles og behandles i realtid på stedet forskellige steder med ultrakompakt, højtydende spektrometre.

Det næste skridt mod at realisere disse metaspektrometers fulde potentiale er at forbedre prototypens ydeevne for både arbejdsbølgelængdeområdet og spektralopløsningen. Dette ville gøre det muligt at bruge det til en lang række analyser, herunder højt specialiserede dem til at identificere proteiner eller genmarkører (Raman -spektroskopi), som typisk involverer belastende processer med sofistikeret udstyr i et laboratorium i fuld størrelse.

"Målet er at kunne opnå sammenlignelige ydelsesniveauer med en simpel" plug-and-play "to-komponent enhed, dvs. en meta-linse og en detektor, som tilsammen fungerer som et metaspektrometer, "Sagde Zhu." Potentialet for dette findes allerede i meta-linse-teknologien; det er simpelthen et spørgsmål om at finde de rigtige konfigurationer og få det til at fungere. "