Ein internationales Forscherteam hat ein Spektrometer für das mittlere Infrarot entwickelt, das kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares ist.
Angesichts möglicher Anwendungen, die von der Erkennung von Treibhausgasen bis zur Erhöhung der Sicherheit selbstfahrender Fahrzeuge reichen, gab es in den letzten Jahren großes Interesse an der Entwicklung kompakter On-Chip-Spektrometer. Herkömmliche Spektrometer, die die spektrale Information von Licht messen, sind sperrig und teuer. Ein On-Chip-Spektrometer würde die Anwendungen und Zugänglichkeit des erheblich erweitern Technologie.
Um dieses Ziel zu erreichen, hat ein Forscherteam in den USA, Israel und Japan ein ultrakompaktes Spektrometer für das mittlere Infrarot entwickelt.
Das Gerät enthält schwarzen Phosphor (BP), ein Material, das seit langem ein Schwerpunkt für ein Spektrometer war, das in einem Wellenlängenbereich von 2 bis 9 Mikrometern betrieben wird und auf einem einzigen durchstimmbaren Photodetektor basiert. Das etwa zehn Nanometer dicke Material ermöglicht es Benutzern, die Licht-Materie-Wechselwirkung so einzustellen, dass die verschiedenen Spektralkomponenten erfasst werden – ein Schlüssel zum Erfolg des Geräts. Darüber hinaus spielt bei diesem Spektrometer ein fortschrittlicher Algorithmus eine ebenso wichtige Rolle, der die angeborene Komplexität der Spektroskopie teilweise von der Hardware auf die Software verlagert.
Mit einer Größe von 9×16 Quadratmikrometern – viel kleiner als der Querschnitt eines menschlichen Haares – sind die Abmessungen des Spektrometers vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts, das es misst. Selbst wenn es möglich wäre, das Gerät kleiner zu machen, würde es keine große Verbesserung zeigen, da das Licht unter normalen Bedingungen aufgrund der Beugung nicht auf einen Punkt fokussiert werden kann, der viel kleiner als seine Wellenlänge ist.
„Es ist sehr spannend, ein so leistungsstarkes Spektrometer mit höchster Kompaktheit zu realisieren. Das Team erwartet, dass das in dieser Arbeit gezeigte Prinzip der gleichzeitigen Nutzung von Fortschritten bei Hardware und Software zu kommerziellen Anwendungen in der Medizin, Landwirtschaft und Lebensmittelqualitätskontrolle führen wird.
Bei herkömmlichen Spektrometern wird das Licht durch die Farben aufgespalten, die das Spektrum bilden.
Und im Gegensatz zu herkömmlichen Spektrometern ist das System nicht auf so fortschrittliche optische Komponenten wie Interferometer oder abstimmbare Infrarotlaser angewiesen. Das eröffnet die Möglichkeit einer extremen Miniaturisierung von Spektrometern und könnteChip, erschwingliche Spektroskopie im mittleren Infrarot und spektrale Bildgebung. Die Forscher stellen fest, dass Autos, Drohnen und Satelliten oft mit Infrarotkameras ausgestattet sind, die Graustufen-Wärmebilder aufnehmen, um Fußgänger, Fahrzeuge und andere Gefahren zu erkennen. Dieses neue Spektrometer hat eine potenziell höhere Erkennungsfähigkeit für solche potentiellen Bedrohungen, da die Spektralinformationen kontinuierlich gemessen werden können, wenn auch mit mäßiger Auflösung. Darüber hinaus kann es auch in der Fernerkundung nützlich sein.