Goedkope chips zorgen voor een omwenteling in de optische spectrometrie
Afbeelding: Felice Frankel, MIT.
Spectrometers zijn grote, dure meetapparaten, die het optische spectrum van direct of gereflecteerd licht exact kwantitatief analyseren. Ze worden gebruikt voor het bepalen van de chemische samenstelling van stoffen in chemische laboratoria en zelfs van sterren in het heelal. Nu lijkt het mogelijk om kleine, krachtige spectrometers goedkoop in serie te fabriceren.
Spectrometers zijn grote, dure meetapparaten, die het optische spectrum van direct of gereflecteerd licht exact kwantitatief analyseren. Ze worden gebruikt voor het bepalen van de chemische samenstelling van stoffen in chemische laboratoria en zelfs van sterren in het heelal. Nu lijkt het mogelijk om kleine, krachtige spectrometers goedkoop in serie te fabriceren.
Spectrometers zijn grote apparaten, vaak met een prijskaartje van honderdduizenden Euro’s en ze staan meestal in de laboratoria van universiteiten, observatoria of onderzoeksafdelingen van grote bedrijven. Maar nieuwe ontwikkelingen van MIT-onderzoekers zouden nu de fabricage van kleine spectrometers mogelijk maken, die zich qua nauwkeurigheid en prestaties kunnen meten met de grote apparaten. Door het gebruik van normale productiemethoden voor halfgeleiders-kunnen ze goedkoop in serie worden gemaakt. Dat zou nieuwe toepassingsgebieden mogelijk maken, die tot nu toe vanwege de benodigde ruimte of de prijs niet mogelijk waren.
De achtergrond is beschreven in het vakblad Nature Communications. Volgens de onderzoekers biedt deze nieuwe aanpak voor de fabricage van chip-spectrometers in vergelijking met de huidige techniek aanzienlijke voordelen qua vermogen, afmetingen, gewicht, kosten en stroomverbruik. De onderzoekers aan het MIT waren niet de eerste, die hebben geprobeerd om zulke spectrometers te bouwen. Het grote probleem daarbij is, dat de mogelijkheid om licht te scheiden op basis van de golflengte sterk afhankelijk is van de grootte van het optische systeem. Hoe kleiner, hoe minder de resultaten. Ook voor een zogenaamde mathematische aanpak met behulp van Fouriertransformaties is een bepaalde lengte van het optische systeem nodig. Geminiaturiseerde spectrometers hebben daarom altijd slechter gewerkt dan hun grote broers.
De nieuwe werkwijze is gebaseerd op optische schakelaars, die een lichtstraal kunnen omschakelen tussen optische paden met een verschillende lengte. Deze halfgeleiderschakelaars maken bewegende spiegels overbodig en kunnen probleemloos met standaardmethodes worden gemaakt. Halfgeleiderspectrometers zijn bovendien bijzonder robuust. Door het variëren van de lengte van de paden in verschillende combinaties wordt een groot discreet oplossend vermogen van het geregistreerde spectrum bereikt, dat exponentieel toeneemt met het aantal paden. Een prototype met zes optische schakelaars haalt op die manier 64 spectrale kanalen. Door het aantal schakelaars uit te breiden tot 10 zou het oplossend vermogen toenemen tot wel 1.024 spectrale kanalen.
Met deze interessante aanpak is het mogelijk om spectrometers met een groot oplossend vermogen te realiseren in een heel kleine ruimte. Op dit moment wordt nog gewerkt aan van een verbreding van het spectrale bereik om deze mini-spectrometers in nog meer toepassingen te kunnen inzetten.
Spectrometers zijn grote apparaten, vaak met een prijskaartje van honderdduizenden Euro’s en ze staan meestal in de laboratoria van universiteiten, observatoria of onderzoeksafdelingen van grote bedrijven. Maar nieuwe ontwikkelingen van MIT-onderzoekers zouden nu de fabricage van kleine spectrometers mogelijk maken, die zich qua nauwkeurigheid en prestaties kunnen meten met de grote apparaten. Door het gebruik van normale productiemethoden voor halfgeleiders-kunnen ze goedkoop in serie worden gemaakt. Dat zou nieuwe toepassingsgebieden mogelijk maken, die tot nu toe vanwege de benodigde ruimte of de prijs niet mogelijk waren.
De achtergrond is beschreven in het vakblad Nature Communications. Volgens de onderzoekers biedt deze nieuwe aanpak voor de fabricage van chip-spectrometers in vergelijking met de huidige techniek aanzienlijke voordelen qua vermogen, afmetingen, gewicht, kosten en stroomverbruik. De onderzoekers aan het MIT waren niet de eerste, die hebben geprobeerd om zulke spectrometers te bouwen. Het grote probleem daarbij is, dat de mogelijkheid om licht te scheiden op basis van de golflengte sterk afhankelijk is van de grootte van het optische systeem. Hoe kleiner, hoe minder de resultaten. Ook voor een zogenaamde mathematische aanpak met behulp van Fouriertransformaties is een bepaalde lengte van het optische systeem nodig. Geminiaturiseerde spectrometers hebben daarom altijd slechter gewerkt dan hun grote broers.
De nieuwe werkwijze is gebaseerd op optische schakelaars, die een lichtstraal kunnen omschakelen tussen optische paden met een verschillende lengte. Deze halfgeleiderschakelaars maken bewegende spiegels overbodig en kunnen probleemloos met standaardmethodes worden gemaakt. Halfgeleiderspectrometers zijn bovendien bijzonder robuust. Door het variëren van de lengte van de paden in verschillende combinaties wordt een groot discreet oplossend vermogen van het geregistreerde spectrum bereikt, dat exponentieel toeneemt met het aantal paden. Een prototype met zes optische schakelaars haalt op die manier 64 spectrale kanalen. Door het aantal schakelaars uit te breiden tot 10 zou het oplossend vermogen toenemen tot wel 1.024 spectrale kanalen.
Met deze interessante aanpak is het mogelijk om spectrometers met een groot oplossend vermogen te realiseren in een heel kleine ruimte. Op dit moment wordt nog gewerkt aan van een verbreding van het spectrale bereik om deze mini-spectrometers in nog meer toepassingen te kunnen inzetten.
