Ingeniører 3-D-printer et miniaturiseret spektrometer

Miniaturiseringen af ​​spektroskopiske måleanordninger åbner nye informationskanaler inden for lægevidenskab og forbrugerelektronik. Forskere fra universitetet i Stuttgart, Tyskland, udviklet et 3-D-printet miniaturespektrometer med et volumen på 100 gange 100 gange 300 μm ³ og en spektral opløsning på op til 10 nm i det synlige område. Dette spektrometer kan fremstilles direkte på kamerasensorer, og et parallelt arrangement giver mulighed for hurtig ("snapshot") og lav profil, hyperspektrale kameraer, der kan tilpasses meget.

Femtosekund direkte laserskrivning som en 3-D printteknologi har været en af ​​de vigtigste byggesten for miniaturisering i de seneste år. Det har transformeret området for kompleks mikro-optik siden begyndelsen af ​​2000'erne. Medicinsk teknik og forbrugerelektronik nyder godt af denne udvikling. Det er nu muligt at skabe robuste, monolitiske og næsten perfekt afstemte friformede optiske systemer på næsten vilkårlige substrater såsom billedsensorer eller optiske fibre.

Samtidigt, miniaturiseringen af ​​spektroskopiske måleenheder er blevet avanceret med kvantepunkt- og nanotrådsteknologi. Disse er baseret på beregningsmæssige tilgange, som har den ulempe, at de er kalibreringsfølsomme og kræver komplekse rekonstruktionsalgoritmer.

I et nyt blad udgivet i Lys:Avanceret fremstilling , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Alois Herkommer fra Institut for Anvendt Optik og professor Giessen fra 4th Physics Institute, Universitetet i Stuttgart, Tyskland, har demonstreret et vinkelufølsomt 3-D-printet miniaturespektrometer med en direkte adskilt rumlig-spektral respons. Den har et volumen på mindre end 100 gange 100 gange 300 μm ³ .

Designet er baseret på et klassisk gitterspektrometer og blev fremstillet via to-foton direkte laserskrivning kombineret med en superfin inkjet-proces. Dens skræddersyede og kvidrede højfrekvente gitter muliggør stærkt dispersiv adfærd. Miniaturespektrometeret har et bølgelængdeområde i det synlige fra 490 nm til 690 nm. Den har en spektral opløsning på 9,2 ± 1,1 nm ved 532 nm og 17,8 nm ± 1,7 nm ved en bølgelængde på 633 nm.

Ledende forfatter Andrea Toulouse siger, "Med dens volumen på mindre end 100 gange 100 gange 300 μm ³ vi udforsker et helt nyt størrelsesområde for direkte spektrometre. En så lille størrelsesorden kunne kun realiseres ved beregningsmæssige tilgange indtil nu. I modsætning, vi oversætter spektret direkte til et rumligt kodet intensitetssignal, som kan udlæses med en kommerciel monokromatisk billedsensor."

"For 3-D-printet mikrooptik, kompleksiteten af ​​det optiske design markerer en innovation. Brydende, diffraktive og rumligt filtrerende elementer er aldrig blevet kombineret i så lille et volumen for at skabe et komplekst og monolitisk målesystem."

"Vores spektrometer kunne fremstilles direkte på en miniature billedsensor som spidsen af ​​et distalt chip-endoskop. På denne måde, områder i den menneskelige krop kunne undersøges med ekstremt høje bøjningsradier, som ikke var tilgængelige før," forudser forskerne. "Det kunne også være en interessant tilgang til hyperspektral billeddannelse, hvor spektrometeret ville blive brugt som en enhedscelle (makropixel). Omfordelingen af ​​spektral energi i stedet for Fabry-Perot-filtrering med højt tab kunne således muliggøre højeffektive hyperspektrale billedsensorer. Den stadigt voksende verdensbefolkning kunne drage fordel af et sådant kamera, hvis det blev brugt til spektral kortlægning i præcisionslandbrug, for eksempel."