Infracrvena spektrometrska traka na čipu iz EHT-a

ETH Zurich sveučilište je znanosti, tehnologije, inženjerstva i matematike u gradu Zürich u Švicarskoj. Njihovi istraživači razvili su kompaktni infracrveni spektrometar koji je dovoljno mali da stane na računalni čip i za koji smatraju da bi mogao pronaći svoj put u pametne telefone. U grupi na čelu s Rachel Grange, profesorom optičkih nanomaterijala na Odsjeku za fiziku, David Pohl i Marc Reig Escalé surađivali su s drugim kolegama na razvoju čipa veličine oko dva četvorna centimetra. Pomoću njega mogu analizirati infracrveno svjetlo na isti način kao što bi to radili s mnogo većim i glomaznijim spektrometrom.

Konvencionalni spektrometar razdvaja upadnu svjetlost na dvije staze prije nego što se odbije od dva zrcala. Zraci se rekombiniraju i mjere se fotodetektorom. Pomicanjem jednog od ogledala stvara se interferencijski uzorak koji se može koristiti za određivanje udjela različitih valnih duljina u dolaznom signalu. Budući da kemijske tvari stvaraju karakteristične praznine u infracrvenom spektru, znanstvenici mogu pomoću dobivenih obrazaca prepoznati koje se tvari nalaze u ispitnom uzorku i u kojoj koncentraciji.

Za istim principom stoji mini-spektrometar koji su razvili istraživači ETH. Međutim, na njihovom uređaju se svjetlost koja se ulazi više ne analizira uz pomoć pomičnih zrcala; umjesto toga koriste se posebni valovodi s optičkim indeksom loma koji se mogu podesiti izvana pomoću električnog polja. “Različiti indeks loma ima učinak sličan onome što se događa kad pomičemo zrcala”, objašnjava Pohl, “tako da nam ova postavka omogućuje rasipanje spektra upadne svjetlosti na isti način.”

Ovisno o konfiguraciji valovoda, istraživači mogu ispitati različite dijelove svjetlosnog spektra. “Teoretski, naš spektrometar omogućuje vam mjerenje ne samo infracrvenog svjetla, već i vidljive svjetlosti, pod uvjetom da je valovod pravilno konfiguriran”, kaže Escalé.

Za razliku od ostalih integriranih spektrometra koji mogu pokriti samo uski raspon svjetlosnog spektra, uređaj razvijen od Grangeove grupe ima veliku prednost u tome što lako može analizirati široki dio spektra.

Pored kompaktne veličine, inovacija fizičara ETH nudi još dvije prednosti: “spektrometar na čipu” mora se kalibrirati samo jednom u usporedbi s konvencionalnim uređajima kojima je potrebna ponovna kalibracija iznova i iznova; a budući da ne sadrži pokretne dijelove, zahtijeva manje održavanja.

Za svoj spektrometar, istraživači ETH koristili su materijal koji se također koristi kao modulator u telekomunikacijskoj industriji. Ovaj materijal ima mnogo pozitivnih svojstava, ali kao valovod, svjetlost ograničava na unutrašnjost. To je manje nego idealno, jer je mjerenje moguće samo ako dio vodene svjetlosti može izaći. Iz tog su razloga znanstvenici pričvrstili osjetljive metalne strukture na valovodima koji raspršuju svjetlost na vanjsku stranu uređaja. “Bilo je potrebno puno rada u čistoj sobi dok nismo mogli strukturirati materijal onako kako smo željeli”, objašnjava Grange.

Sve dok se trenutačni mini-spektrometar doista ne može integrirati u mobilni ili drugi elektronički uređaj, tek treba postići određeni tehnološki napredak. “Trenutno mjerimo signal vanjskom kamerom,” kaže Grange, “pa ako želimo imati kompaktan uređaj, moramo i to integrirati.”

Izvorno, fizičari nisu bili usmjereni na kemijske analize, već na sasvim drugačiju primjenu: u astronomiji infracrveni spektrometri pružaju vrijedne informacije o udaljenim nebeskim objektima. Budući da zemaljska atmosfera apsorbira veliku količinu infracrvene svjetlosti, bilo bi idealno ove instrumente smjestiti na satelite ili teleskop u svemiru. Kompaktan, lagan i stabilan mjerni uređaj koji se relativno jeftino može lansirati u svemir prirodno bi ponudio značajnu korist. Njihova otkrića objavljena su u časopisu Nature Photonics pod naslovom “Integrirani širokopojasni spektrometar na tankoslojnom litij-niobatu”

Advert

ESD namještaj