Forskere laver ultrakompakt on-chip beregningsmæssigt infrarødt spektrometer

Et internationalt hold af forskere har udviklet et melleminfrarødt spektrometer, der er mindre end diameteren af ​​et menneskehår.

Med potentielle applikationer, der spænder fra at detektere drivhusgasser til at gøre selvkørende køretøjer sikrere, der har i de senere år været stor interesse for at udvikle kompakte, on-chip spektrometre. Traditionelle spektrometre, som måler lysets spektrale information, er omfangsrige og dyre. Et on-chip spektrometer ville i høj grad udvide applikationerne og tilgængeligheden af ​​teknologien.

Mod dette mål, et team af forskere i USA, Israel, og Japan har udviklet et ultrakompakt mid-infrarødt spektrometer. Arbejdet er resultatet af et samarbejde mellem laboratoriet i Fengnian Xia, Barton L. Weller lektor i teknik og videnskab ved Yale University; Professor Doron Naveh fra Bar-Ilan University, Israel; Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science, Japan. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Natur fotonik .

Enheden indeholder sort fosfor (BP), et materiale, der længe har været i fokus for Xia-laboratoriet, for et spektrometer, der fungerer ved et bølgelængdeområde på 2 til 9 mikrometer, baseret på en enkelt justerbar fotodetektor. Materialet, som er omkring ti nanometer tyk, giver brugerne mulighed for at justere lys-stof-interaktionen for at fange de forskellige spektrale komponenter - en nøgle til enhedens succes. I øvrigt, en avanceret algoritme spiller en lige så vigtig rolle i dette spektrometer, dels at flytte den medfødte kompleksitet i spektroskopi fra hardware til software.

Med en størrelse på 9×16 kvadratmikrometer - meget mindre end tværsnittet af et menneskehår - er spektrometrets dimensioner sammenlignelige med lysets bølgelængde, det måler. Selvom det var muligt at gøre enheden mindre, det ville ikke vise meget forbedring, da lys under normale forhold ikke kan fokuseres på en plet, der er meget mindre end dens bølgelængde, på grund af diffraktion.

"Det er meget spændende at realisere et så højtydende spektrometer med den ultimative kompakthed, " sagde professor Doron Naveh fra Bar-Ilan University. "Vi forventer, at princippet om at udnytte fremskridt inden for hardware og software samtidigt som vist i dette arbejde vil føre til kommercielle anvendelser inden for medicin, landbrug og fødevarekvalitetskontrol."

Med konventionelle spektrometre, lys opdeles af de farver, der udgør spektret.

"Dette spektrometer viser en fordel i forhold til konventionelle lyssplittende spektrometre, fordi lyset ikke behøver at blive opdelt i forskellige dele rumligt, " sagde Shaofan Yuan, en ph.d. studerende i Xias laboratorium, og hovedforfatter af undersøgelsen.

Og i modsætning til konventionelle spektrometre, systemet er ikke afhængigt af så avancerede optiske komponenter som interferometre eller justerbare infrarøde lasere. Det åbner muligheden for en ekstrem miniaturisering af spektrometre og kunne muliggøre on-chip, overkommelig mellem-infrarød spektroskopi og spektral billeddannelse. Forskerne bemærker, at biler, droner, og satellitter er ofte udstyret med infrarøde kameraer, der tager gråskala termiske billeder for at opdage fodgængere, køretøjer, og andre farer. Xia-laboratoriets spektrometer har en potentielt højere detektionsevne for sådanne potentielle trusler, da spektralinformationen kontinuerligt kan måles, dog med moderat opløsning. Derudover det kan også være nyttigt ved fjernmåling.