長約2cm的芯片,，可以精確分析紅外光譜

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算機芯片上,，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，使用智能手機進(jìn)行化學(xué)分析似乎是一個很大膽的想法,。因為,，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器測量,。移動其中一個反射鏡便會產(chǎn)生干涉圖紋，利用干涉圖紋可以確定入射光中不同波長的比例,。由于每種化學(xué)物質(zhì)都有其獨特的紅外特征吸收,，因此科學(xué)家可以使用所得的圖譜來識別測試樣品中出現(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，不再借助可移動反射鏡來分析入射光,。他們采用了一種可以通過外部電場調(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反射鏡相似的效果,，因此，這種設(shè)計使我們能夠以相同的方式分離入射光譜,?！?/p>

有挑戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)化工藝

根據(jù)波導(dǎo)的配置，研究人員可以檢測光譜的不同部分,?！袄碚撋希灰侠砼渲貌▽?dǎo),，我們的微型光譜儀不僅可以測量紅外光,，還可以測量可見光?！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,，因為它可以很方便地實現(xiàn)寬光譜分析,。

除了體積小巧之外，ETH物理學(xué)家的創(chuàng)新還具有另外兩個優(yōu)點：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),，它會將光限制在內(nèi)部,。這一缺點使其不夠理想，因為只有在部分引導(dǎo)光可以射出的情況下才可能進(jìn)行測量,。為此,，科學(xué)家設(shè)計了一種精細(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?！?/p>

完美適用于太空應(yīng)用

不過,，這種微型光譜儀要實際集成到移動設(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量信號,。因此，如果我們要打造一款完整的緊湊設(shè)備,，還需要集成對應(yīng)的探測器,。”

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，在向太空運送時顯然相對更經(jīng)濟,，自然具有很大優(yōu)勢,。