Ultra-compacte infraroodspectrometer: 2 cm² chip voor handgehouden chemische analyse

Mobiele telefoons kunnen bijna alles. Met deze apparaten zou het zelfs mogelijk kunnen zijn om het alcoholgehalte van bier of de rijpheid van een stuk fruit te bepalen. De infraroodspectrometers die vandaag voor chemische analyses gebruikt worden, wegen meestal diverse kilograms en zijn moeilijk te integreren in een handgehouden apparaat.

Een chip van ongeveer 2 vierkante centimeter is ontwikkeld die op dezelfde manier als een conventionele spectrometer infraroodlicht kan analyseren, die de invallicht in twee paden splitst voordat het weerkaatst wordt door twee spiegels. De weerkaatste lichtbundels worden hergecombineerd en gemeten met een fotodetector. Het bewegen van één van de spiegels creëert een interferentiepatroon dat gebruikt kan worden om de verhouding van verschillende golflengtes in het inkomende signaal te bepalen. Omdat chemische stoffen karakteristieke gaten in het infraroodspectrum creëren, kunnen wetenschappers de resulterende patronen gebruiken om te identificeren welke stoffen in het testmonster voorkomen en in welke concentratie.

Ditzelfde principe zit achter de nieuwe mini-spectrometer; echter, in het nieuwe apparaat wordt het invallicht niet meer geanalyseerd met behulp van bewegelijke spiegels. In plaats daarvan maakt het gebruik van speciale golgleiders met een optische brekingsindex die extern via een elektrisch veld aangepast kan worden. Het varieren van de brekingsindex heeft een effect vergelijkbaar met wat er gebeurt wanneer de spiegels bewogen worden, wat dispersie van het spectrum van het invallicht op dezelfde manier mogelijk maakt.

Afhankelijk van hoe de golgleider geconfigureerd is, kunnen onderzoekers verschillende delen van het lichtspectrum onderzoeken. In tegenstelling tot andere geïntegreerde spectrometers die slechts een smal bereik van het lichtspectrum kunnen dekken, kan het nieuwe apparaat gemakkelijk een breed deel van het spectrum analyseren. De spectrometer hoeft slechts één keer gekalibreerd te worden, in tegenstelling tot conventionele apparaten die herhaalde herkalibratie nodig hebben, en omdat het geen bewegende delen bevat, vereist het minder onderhoud.

Onderzoekers gebruikten een materiaal dat ook als modulator in de telecommunicatie-industrie wordt gebruikt. Dit materiaal heeft veel positieve eigenschappen, maar als golgleider perkt het het licht tot de binnenkant in. Dit is minder ideaal, omdat een meting alleen mogelijk is als een deel van het geguidde licht naar buiten kan komen. Om deze reden hechten de onderzoekers delicaten metalen structuren aan de golgleiders die het licht naar de buitenkant van het apparaat verstrooien.