Billig chip-baseret enhed kan transformere spektrometri

Spektrometre - enheder, der skelner forskellige bølgelængder af lys og bruges til at bestemme den kemiske sammensætning af alt fra laboratoriematerialer til fjerne stjerner - er store enheder med sekscifrede prisskilte, og har tendens til at blive fundet i store universitets- og industrilaboratorier eller observatorier.

Et nyt fremskridt fra forskere ved MIT kunne gøre det muligt at producere bittesmå spektrometre, der er lige så nøjagtige og kraftfulde, men som kunne masseproduceres ved hjælp af standard chipfremstillingsprocesser. Denne tilgang kunne åbne op for nye anvendelser af spektrometri, som tidligere ville have været fysisk og økonomisk umulige.

Opfindelsen er beskrevet i dag i journalen Naturkommunikation , i et papir af MIT lektor i materialevidenskab og teknik Juejun Hu, doktorand Derek Kita, forskningsassistent Brando Miranda, og fem andre.

Forskerne siger, at denne nye tilgang til fremstilling af spektrometre på en chip kan give store fordele med hensyn til ydeevne, størrelse, vægt, og strømforbrug, sammenlignet med nuværende instrumenter.

Andre grupper har forsøgt at lave chip-baserede spektrometre, men der er en indbygget udfordring:En enheds evne til at sprede lys ud baseret på dens bølgelængde, ved brug af ethvert konventionelt optisk system, er meget afhængig af enhedens størrelse. "Hvis du gør det mindre, ydeevnen forringes, " siger Hu.

En anden type spektrometer bruger en matematisk tilgang kaldet en Fourier-transformation. Men disse enheder er stadig begrænset af den samme størrelsesbegrænsning - lange optiske veje er afgørende for at opnå høj ydeevne. Da højtydende enheder kræver lang tid, indstillelige optiske vejlængder, miniaturiserede spektrometre har traditionelt været ringere sammenlignet med deres benchtop-modstykker.

I stedet, "Vi brugte en anden teknik, " siger Kita. Deres system er baseret på optiske kontakter, som øjeblikkeligt kan vende en lysstråle mellem de forskellige optiske veje, som kan være af forskellig længde. Disse helt elektroniske optiske kontakter eliminerer behovet for bevægelige spejle, som er påkrævet i de nuværende versioner, og kan nemt fremstilles ved hjælp af standard spånfremstillingsteknologi.

Ved at fjerne de bevægelige dele, Kita siger, "der er en kæmpe fordel med hensyn til robusthed. Du kan tabe den fra bordet uden at forårsage skade."

Ved at bruge sti-længder i trin på to trin, disse længder kan kombineres på forskellige måder for at replikere et eksponentielt antal diskrete længder, fører således til en potentiel spektral opløsning, der øges eksponentielt med antallet af on-chip optiske switche. Det er det samme princip, som gør det muligt for en balancevægt at måle et bredt udvalg af vægte nøjagtigt ved at kombinere et lille antal standardvægte.

Som et bevis på konceptet, forskerne kontraherede en industristandard halvlederproduktionstjeneste for at bygge en enhed med seks sekventielle switche, producerer 64 spektralkanaler, med indbygget behandlingsevne til at styre enheden og behandle dens output. Ved at udvide til 10 kontakter, opløsningen ville springe til 1, 024 kanaler. De designede enheden som en plug-and-play enhed, der nemt kunne integreres med eksisterende optiske netværk.

Holdet brugte også nye maskinlæringsteknikker til at rekonstruere detaljerede spektre fra et begrænset antal kanaler. Metoden de udviklede fungerer godt til at detektere både brede og smalle spektrale toppe, siger Kita. De var i stand til at demonstrere, at dens ydeevne faktisk stemte overens med beregningerne, og dermed åbner op for en bred vifte af potentiale for videreudvikling til forskellige applikationer.

Forskerne siger, at sådanne spektrometre kan finde anvendelser i sensorenheder, materialeanalysesystemer, optisk kohærent tomografi i medicinsk billeddannelse, og overvågning af optiske netværks ydeevne, som de fleste af nutidens digitale netværk er afhængige af. Allerede, holdet er blevet kontaktet af nogle virksomheder, der er interesserede i mulige anvendelser af sådanne mikrochip-spektrometre, med deres løfte om store fordele i størrelse, vægt, og strømforbrug, siger Kita. Der er også interesse for applikationer til realtidsovervågning af industrielle processer, Hu tilføjer, as well as for environmental sensing for industries such as oil and gas.