Forskere udvikler et kompakt infrarødt spektrometer

ETH-forskere har udviklet et kompakt infrarødt spektrometer. Den er lille nok til at passe på en computerchip, men kan stadig åbne op for interessante muligheder – i rummet og i hverdagen.

I dag, en mobiltelefon kan næsten alt:tage billeder eller video, sende beskeder, bestemme dens nuværende placering, og selvfølgelig overføre telefonsamtaler. Med disse alsidige enheder, det kan endda være muligt at konstatere en øls alkoholindhold eller hvor moden et stykke frugt er.

Ved første øjekast, ideen om at bruge mobiltelefoner til kemiske analyser virker vovet. Trods alt, de infrarøde spektrometre, der bruges til sådanne analyser i dag, vejer generelt flere kilo og er vanskelige at integrere i en håndholdt enhed. Nu har forskere ved ETH Zürich taget et vigtigt skridt i retning af at omsætte denne vision til virkelighed. David Pohl og Marc Reig Escalé, i gruppen ledet af Rachel Grange, Professor i optiske nanomaterialer ved Institut for Fysik, samarbejdede med andre kolleger om at udvikle en chip på omkring 2 kvadratcentimeter stor. Med det, de kan analysere infrarødt lys på samme måde, som de ville med et konventionelt spektrometer.

Bølgeledere i stedet for spejle

Et konventionelt spektrometer opdeler det indfaldende lys i to baner, før det reflekterer det fra to spejle. De reflekterede lysstråler rekombineres og måles med en fotodetektor. Bevægelse af et af spejlene skaber et interferensmønster, som kan bruges til at bestemme andelen af ​​forskellige bølgelængder i det indgående signal. Fordi kemiske stoffer skaber karakteristiske huller i det infrarøde spektrum, videnskabsmænd kan bruge de resulterende mønstre til at identificere, hvilke stoffer der forekommer i testprøven og i hvilken koncentration.

Det samme princip ligger bag minispektrometeret udviklet af ETH-forskerne. Imidlertid, i deres enhed, det indfaldende lys analyseres ikke længere ved hjælp af bevægelige spejle; i stedet, den gør brug af specielle bølgeledere med et optisk brydningsindeks, der kan justeres eksternt via et elektrisk felt. "At variere brydningsindekset har en effekt svarende til, hvad der sker, når vi flytter spejlene, Pohl forklarer, "så denne opsætning lader os sprede spektret af det indfaldende lys på samme måde."

En udfordrende struktureringsproces

Afhængigt af hvordan bølgelederen er konfigureret, forskere kan undersøge forskellige dele af lysspektret. "I teorien, vores spektrometer lader dig måle ikke kun infrarødt lys, men også synligt lys, forudsat at bølgelederen er korrekt konfigureret, " siger Escalé. I modsætning til andre integrerede spektrometre, der kun kan dække et snævert område af lysspektret, apparatet udviklet af Granges gruppe har en stor fordel ved, at det nemt kan analysere et bredt udsnit af spektret.

Ud over sin kompakte størrelse, ETH -fysikernes innovation byder på to andre fordele:"spektrometeret på en chip" skal kun kalibreres én gang, sammenlignet med konventionelle enheder, der skal kalibreres igen og igen; og fordi den ikke indeholder bevægelige dele, det kræver mindre vedligeholdelse.

For deres spektrometer, ETH-forskerne brugte et materiale, der også bruges som modulator i telekommunikationsindustrien. Dette materiale har mange positive egenskaber, men som en bølgeleder, det begrænser lyset til indersiden. Dette er mindre end ideelt, da en måling kun er mulig, hvis noget af det guidede lys kan slippe ud. Af denne grund, forskerne fastgjorde sarte metalstrukturer til bølgelederne, der spreder lyset til ydersiden af ​​enheden. "Det krævede meget arbejde i renrummet, indtil vi kunne strukturere materialet, som vi ønskede, Grange forklarer.

Perfekt til plads

Indtil det nuværende minispektrometer faktisk kan integreres i en mobil eller anden elektronisk enhed, imidlertid, der er stadig nogle teknologiske fremskridt at gøre. "I øjeblikket måler vi signalet med et eksternt kamera, Grange siger, "så hvis vi vil have en kompakt enhed, vi skal også integrere dette."

Oprindeligt sigtede fysikerne, ikke ved kemiske analyser, men i en helt anden anvendelse:i astronomi, infrarøde spektrometre giver værdifuld information om fjerne himmellegemer. Fordi jordens atmosfære absorberer en stor mængde infrarødt lys, det ville være ideelt at placere disse instrumenter på satellitter eller teleskoper i rummet. En kompakt, en let og stabil måleenhed, der kan skydes ud i rummet relativt billigt, vil naturligvis give en væsentlig fordel.