Een internationaal team van onderzoekers heeft een mid-infraroodspectrometer ontwikkeld die kleiner is dan de diameter van een mensenhaar.
Met potentiële toepassingen die variëren van het detecteren van broeikasgassen tot het veiliger maken van zelfrijdende voertuigen, is er de afgelopen jaren veel belangstelling geweest voor de ontwikkeling van compacte on-chip spectrometers. Traditionele spectrometers, die de spectrale informatie van licht meten, zijn omvangrijk en duur. Een on-chip spectrometer zou de toepassingen en toegankelijkheid van de spectrometer aanzienlijk vergroten technologie.
Om dit doel te bereiken, heeft een team van onderzoekers in de VS, Israël en Japan een ultracompacte midden-infraroodspectrometer ontwikkeld.
Het apparaat bevat zwarte fosfor (BP), een materiaal dat lange tijd het middelpunt is geweest van een spectrometer die werkt bij een golflengte van 2 tot 9 micrometer, gebaseerd op een enkele afstembare fotodetector. Het materiaal, dat ongeveer tien nanometer dik is, stelt gebruikers in staat om de licht-materie-interactie af te stemmen om de verschillende spectrale componenten vast te leggen - een sleutel tot het succes van het apparaat. Bovendien speelt een geavanceerd algoritme een even belangrijke rol in deze spectrometer, waardoor de aangeboren complexiteit in spectroscopie deels verschuift van hardware naar software.
Met een afmeting van 9×16 vierkante micrometer - veel kleiner dan de doorsnede van een mensenhaar - zijn de afmetingen van de spectrometer vergelijkbaar met de golflengte van het licht dat hij meet. Zelfs als het mogelijk zou zijn om het apparaat kleiner te maken, zou het niet veel verbetering opleveren, omdat het licht onder normale omstandigheden niet kan worden gefocust op een plek die veel kleiner is dan de golflengte, vanwege diffractie.
“Het is heel spannend om zo’n high-performance spectrometer te realiseren met de ultieme compactheid. Het team verwacht dat het principe om gelijktijdig gebruik te maken van de vooruitgang in hardware en software, zoals aangetoond in dit werk, zal leiden tot commerciële toepassingen in de geneeskunde, landbouw en voedselkwaliteitscontrole.
Bij conventionele spectrometers wordt licht opgesplitst door de kleuren waaruit het spectrum bestaat.
En in tegenstelling tot conventionele spectrometers, vertrouwt het systeem niet op zulke geavanceerde optische componenten als interferometers of afstembare infraroodlasers. Dat opent de mogelijkheid voor een extreme miniaturisering van spectrometers en zou on-spaander, betaalbare mid-infrarood spectroscopie en spectrale beeldvorming. De onderzoekers merken op dat auto's, drones en satellieten vaak zijn uitgerust met infraroodcamera's die warmtebeelden in grijstinten maken om voetgangers, voertuigen en andere gevaren te detecteren. Deze nieuwe spectrometer heeft een potentieel hoger detectievermogen voor dergelijke potentiële bedreigingen, aangezien de spectrale informatie continu kan worden gemeten, zij het met een matige resolutie. Bovendien kan het ook nuttig zijn bij teledetectie.