ETH-onderzoekers hebben een compacte infraroodspectrometer ontwikkeld. Hij is klein genoeg om op een computerchip te passen, maar biedt toch interessante mogelijkheden - in de ruimte en in het dagelijks leven.

Vandaag de dag, een mobiele telefoon kan bijna alles:foto's of video maken, berichten sturen, de huidige locatie bepalen, en natuurlijk telefoongesprekken doorsturen. Met deze veelzijdige apparaten misschien is het zelfs mogelijk om het alcoholgehalte van een biertje vast te stellen of hoe rijp een stuk fruit is.

Op het eerste gezicht, het idee om mobiele telefoons te gebruiken voor chemische analyses lijkt een gedurfde. Ten slotte, de infraroodspectrometers die tegenwoordig voor dergelijke analyses worden gebruikt, wegen over het algemeen enkele kilo's en zijn moeilijk te integreren in een handheld-apparaat. Nu hebben onderzoekers van ETH Zürich een belangrijke stap gezet om deze visie werkelijkheid te laten worden. David Pohl en Marc Reig Escale, in de groep onder leiding van Rachel Grange, Hoogleraar Optische Nanomaterialen bij de afdeling Natuurkunde, werkte samen met andere collega's aan een chip van ongeveer 2 vierkante centimeter groot. ermee, ze kunnen infrarood licht op dezelfde manier analyseren als met een conventionele spectrometer.

Golfgeleiders in plaats van spiegels

Een conventionele spectrometer splitst het invallende licht in twee paden voordat het door twee spiegels wordt gereflecteerd. De gereflecteerde lichtbundels worden opnieuw gecombineerd en gemeten met een fotodetector. Door een van de spiegels te bewegen ontstaat er een interferentiepatroon, die kan worden gebruikt om het aandeel van verschillende golflengten in het binnenkomende signaal te bepalen. Omdat chemische stoffen karakteristieke gaten in het infraroodspectrum creëren, Met de resulterende patronen kunnen wetenschappers vaststellen welke stoffen in het testmonster voorkomen en in welke concentratie.

Ditzelfde principe zit achter de mini-spectrometer die is ontwikkeld door de ETH-onderzoekers. Echter, in hun apparaat, het invallende licht wordt niet meer geanalyseerd met behulp van beweegbare spiegels; in plaats daarvan, het maakt gebruik van speciale golfgeleiders met een optische brekingsindex die extern kan worden aangepast via een elektrisch veld. "Het variëren van de brekingsindex heeft een effect dat vergelijkbaar is met wat er gebeurt als we de spiegels bewegen, "Pohl legt uit, "Dus met deze opstelling kunnen we het spectrum van het invallende licht op dezelfde manier verspreiden."

Een uitdagend structureringsproces

Afhankelijk van hoe de golfgeleider is geconfigureerd, onderzoekers kunnen verschillende delen van het lichtspectrum onderzoeken. "In theorie, onze spectrometer laat u niet alleen infrarood licht meten, maar ook zichtbaar licht, mits de golfgeleider correct is geconfigureerd, " zegt Escalé. In tegenstelling tot andere geïntegreerde spectrometers die slechts een smal bereik van het lichtspectrum kunnen bestrijken, het door de groep van Grange ontwikkelde apparaat heeft het grote voordeel dat het gemakkelijk een breed deel van het spectrum kan analyseren.

Naast zijn compacte formaat, de innovatie van de ETH-fysici biedt nog twee andere voordelen:de "spectrometer op een chip" hoeft slechts één keer te worden gekalibreerd, in vergelijking met conventionele apparaten die steeds opnieuw moeten worden gekalibreerd; en omdat het geen bewegende delen bevat, het vereist minder onderhoud.

Voor hun spectrometer, de ETH-onderzoekers gebruikten een materiaal dat ook als modulator wordt gebruikt in de telecommunicatie-industrie. Dit materiaal heeft veel positieve eigenschappen, maar als een golfgeleider, het beperkt het licht naar binnen. Dit is niet ideaal, omdat een meting alleen mogelijk is als een deel van het geleide licht naar buiten kan. Om deze reden, de wetenschappers bevestigden delicate metalen structuren aan de golfgeleiders die het licht naar de buitenkant van het apparaat verspreiden. "Het vergde veel werk in de cleanroom voordat we het materiaal konden structureren zoals we wilden, ’ legt Grange uit.

Perfect voor ruimte

Totdat de huidige mini-spectrometer daadwerkelijk kan worden geïntegreerd in een mobiel of ander elektronisch apparaat, echter, er is nog enige technologische vooruitgang te boeken. "Momenteel meten we het signaal met een externe camera, "Grange zegt, "Dus als we een compact apparaat willen, dat moeten we ook integreren."

Oorspronkelijk mikten de natuurkundigen, niet bij chemische analyses, maar met een heel andere toepassing:in de astronomie, infraroodspectrometers bieden waardevolle informatie over verre hemellichamen. Omdat de atmosfeer van de aarde een grote hoeveelheid infrarood licht absorbeert, het zou ideaal zijn om deze instrumenten op satellieten of telescoop in de ruimte te plaatsen. Een compacte, lichtgewicht en stabiel meetapparaat dat relatief goedkoop de ruimte in kan worden gelanceerd, zou natuurlijk een aanzienlijk voordeel bieden.