Een internationaal team van onderzoekers heeft een mid-infraroodspectrometer ontwikkeld die kleiner is dan de diameter van een mensenhaar.

Met mogelijke toepassingen die variëren van het detecteren van broeikasgassen tot het veiliger maken van zelfrijdende voertuigen, de laatste jaren is er veel belangstelling voor het ontwikkelen van compacte, spectrometers op de chip. Traditionele spectrometers, die de spectrale informatie van licht meten, zijn omvangrijk en duur. Een spectrometer op de chip zou de toepassingen en toegankelijkheid van de technologie aanzienlijk vergroten.

In de richting van dit doel, een team van onderzoekers in de VS, Israël, en Japan heeft een ultracompacte midden-infraroodspectrometer ontwikkeld. Het werk is het resultaat van een samenwerking tussen het laboratorium van Fengnian Xia, de Barton L. Weller Associate Professor in Engineering and Science aan de Yale University; Professor Doron Naveh van de Bar-Ilan Universiteit, Israël; Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science, Japan. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Natuurfotonica .

Het apparaat bevat zwarte fosfor (BP), een materiaal dat al lang een focus is van het Xia-lab, voor een spectrometer die werkt bij een golflengtebereik van 2 tot 9 micrometer, gebaseerd op een enkele afstembare fotodetector. Het materiaal, die ongeveer tien nanometer dik is, stelt gebruikers in staat om de interactie tussen licht en materie af te stemmen om de verschillende spectrale componenten vast te leggen - een sleutel tot het succes van het apparaat. Bovendien, een geavanceerd algoritme speelt een even belangrijke rol in deze spectrometer, gedeeltelijk de aangeboren complexiteit in spectroscopie verschuiven 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, het zou niet veel verbetering laten zien, omdat licht onder normale omstandigheden niet kan worden gefocusseerd 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, " zei Prof. Doron Naveh van Bar-Ilan University. "We verwachten dat het principe van gelijktijdig gebruik maken van de vooruitgang in hardware en software, zoals aangetoond in dit werk, zal leiden tot commerciële toepassingen in de geneeskunde, landbouw en voedselkwaliteitscontrole."

Met conventionele spectrometers, licht wordt opgesplitst door de kleuren waaruit het spectrum bestaat.

"Deze spectrometer heeft een voordeel ten opzichte van conventionele lichtsplitsende spectrometers omdat het licht niet ruimtelijk in verschillende delen hoeft te worden opgesplitst, " zei Shaofan Yuan, een doctoraat student in Xia's lab, en hoofdauteur van de studie.

En in tegenstelling tot conventionele spectrometers, het systeem vertrouwt niet op zulke geavanceerde optische componenten als interferometers of afstembare infraroodlasers. Dat opent de mogelijkheid voor een extreme miniaturisering van spectrometers en zou on-chip, betaalbare mid-infrarood spectroscopie en spectrale beeldvorming. De onderzoekers merken op dat auto's, drones, en satellieten zijn vaak uitgerust met infraroodcamera's die warmtebeelden in grijstinten maken om voetgangers te detecteren, voertuigen, en andere gevaren. De spectrometer van het Xia-lab heeft een potentieel hoger detectievermogen voor dergelijke potentiële bedreigingen, aangezien de spectrale informatie continu kan worden gemeten, zij het met een matige resolutie. Aanvullend, het kan ook nuttig zijn bij teledetectie.