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蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院成功開發(fā)緊湊型紅外光譜儀 |
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來源：MEMS 作者：不詳 日期：2019/10/19 訪問：
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蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的研究人員開發(fā)了一種緊湊型紅外光譜儀。它小到足以集成在一顆計(jì)算機(jī)芯片上，但它的性能仍然可以為太空和日常生活應(yīng)用開辟很多有趣的可能性。
如今，智能手機(jī)幾乎可以執(zhí)行所有功能：拍攝照片或視頻、發(fā)送消息、確定當(dāng)前位置、以及視頻電話等。如果加上ETH研究人員開發(fā)的這款多功能緊湊型紅外光譜儀，我們的智能手機(jī)甚至可以確定啤酒的酒精含量，或者一份水果的成熟程度。
乍一看，使用智能手機(jī)進(jìn)行化學(xué)分析似乎是一個(gè)很大膽的想法。因?yàn)�，目前可以進(jìn)行此類化學(xué)分析的紅外光譜儀通常重達(dá)幾公斤到幾十公斤，很難將它們集成到手持設(shè)備中。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理系光學(xué)納米材料教授Rachel Grange領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在朝著這一愿景邁出了重要的一步，David Pohl和Marc Reig Escale?與其他同事合作開發(fā)了一款尺寸僅約2平方厘米的芯片。利用這款芯片，他們可以像使用傳統(tǒng)光譜儀一樣分析紅外光。
波導(dǎo)替代反射鏡
傳統(tǒng)光譜儀的入射光會(huì)在反射鏡反射之前先經(jīng)過分光系統(tǒng)將其在一定空間內(nèi)按規(guī)律分開，然后反射光束重新組合并用光電探測(cè)器測(cè)量。移動(dòng)其中一個(gè)反射鏡便會(huì)產(chǎn)生干涉圖紋，利用干涉圖紋可以確定入射光中不同波長(zhǎng)的比例。由于每種化學(xué)物質(zhì)都有其獨(dú)特的紅外特征吸收，因此科學(xué)家可以使用所得的圖譜來識(shí)別測(cè)試樣品中出現(xiàn)的物質(zhì)和濃度。
ETH研究人員開發(fā)的微型光譜儀也利用了相同的原理。但是，在他們開發(fā)的器件中，不再借助可移動(dòng)反射鏡來分析入射光。他們采用了一種可以通過外部電場(chǎng)調(diào)節(jié)光學(xué)折射率的特殊波導(dǎo)。Pohl解釋說：“改變折射率具有與移動(dòng)反射鏡相似的效果，因此，這種設(shè)計(jì)使我們能夠以相同的方式分離入射光譜�！�
有挑戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)化工藝
根據(jù)波導(dǎo)的配置，研究人員可以檢測(cè)光譜的不同部分。“理論上，只要合理配置波導(dǎo)，我們的微型光譜儀不僅可以測(cè)量紅外光，還可以測(cè)量可見光�！盓scalé表示。與僅能覆蓋狹窄光譜范圍的其他集成光譜儀相比，Grange小組開發(fā)的器件具有重大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢院芊奖愕貙?shí)現(xiàn)寬光譜分析。
除了體積小巧之外，ETH物理學(xué)家的創(chuàng)新還具有另外兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與需要不斷重新校準(zhǔn)的傳統(tǒng)設(shè)備相比，這種“芯片上的光譜儀”僅需校準(zhǔn)一次；此外，由于它不包含任何活動(dòng)部件，因此更經(jīng)久耐用，需要的維護(hù)更少。
ETH研究人員在這款片上光譜儀中使用了一種材料，這種材料在電信行業(yè)中也用作調(diào)制器。該材料具有許多積極的特性，但作為波導(dǎo)，它會(huì)將光限制在內(nèi)部。這一缺點(diǎn)使其不夠理想，因?yàn)橹挥性诓糠忠龑?dǎo)光可以射出的情況下才可能進(jìn)行測(cè)量。為此，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種精細(xì)的金屬結(jié)構(gòu)以連接到波導(dǎo)上，從而將光散射到器件外部。Grange解釋說：“這需要在潔凈室進(jìn)行大量工作，按照我們所需要的方式構(gòu)造材料�！�
完美適用于太空應(yīng)用
不過，這種微型光譜儀要實(shí)際集成到移動(dòng)設(shè)備或其他電子設(shè)備中，仍然需要進(jìn)行一些技術(shù)改進(jìn)。Grange說：“目前，我們還需要利用外部傳感器測(cè)量信號(hào)。因此，如果我們要打造一款完整的緊湊設(shè)備，還需要集成對(duì)應(yīng)的探測(cè)器。”
最初，研究人員的目標(biāo)應(yīng)用并不是化學(xué)分析，而是針對(duì)完全不同的應(yīng)用——天文學(xué)研究，紅外光譜儀可以提供有關(guān)遙遠(yuǎn)天體的重要信息。由于地球的大氣層吸收了大量的紅外光，因此，需要將這些儀器放置在太空中的衛(wèi)星或望遠(yuǎn)鏡上。這種緊湊、輕便且穩(wěn)定的微型光譜儀，在向太空運(yùn)送時(shí)顯然相對(duì)更經(jīng)濟(jì)，自然具有很大優(yōu)勢(shì)。 |
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