Создан спектрометр размером меньше пикселя — он видит невидимое

Исследователи успешно продемонстрировали спектрометр, который на порядки меньше современных аналогов и способен точно измерять длины волн света от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Эта технология открывает путь к созданию портативных спектроскопических устройств и перспективна для разработки новых поколений спектрометров. На фото — прототипы спектрометрических ячеек на основе органических фотодетекторов. Каждая металлическая полоска представляет собой детектор, способный измерять спектр света. Автор: Брендан О’Коннор, Университет штата Северная Каролина.

Учёные представили спектрометр, который значительно компактнее существующих технологий и при этом сохраняет высокую точность измерений в широком диапазоне — от ультрафиолета до ближнего ИК-излучения. Это открывает возможности для создания карманных спектроскопических устройств и перспективных систем визуализации на основе массива таких сенсоров.

«Спектрометры — ключевые инструменты для изучения химических и физических свойств материалов на основе их взаимодействия со светом, — объясняет Брендан О’Коннор, ведущий автор исследования и профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. — Они применяются в промышленности, биомедицинской диагностике и других областях. Однако даже самые компактные коммерческие спектрометры остаются громоздкими».

Новая разработка использует миниатюрный фотодетектор, чувствительный к разным длинам волн света после его взаимодействия с исследуемым материалом. Применяя различные напряжения к детектору, можно управлять его чувствительностью к определённым диапазонам.

«Если быстро подавать на фотодетектор диапазон напряжений и фиксировать все длины волн на каждом этапе, простой алгоритм сможет точно восстановить спектральную характеристику света, проходящего через материал или отражающегося от него, — говорит О’Коннор. — Весь процесс занимает менее миллисекунды, а диапазон напряжений не превышает одного вольта».

Предыдущие попытки миниатюризации спектрометров сталкивались с необходимостью сложной оптики, высоких напряжений или ограниченного диапазона чувствительности. В тестах новый спектрометр размером с пиксель показал точность, сопоставимую с традиционными приборами, и чувствительность на уровне коммерческих фотодетекторов.

«В перспективе мы хотим вывести спектрометры на потребительский рынок, — отмечает О’Коннор. — Их размер и энергопотребление позволяют встроить их в смартфон, что открывает множество интересных применений. Для науки это также упрощает доступ к спектроскопии в микроскопии и других лабораторных задачах».

Исследование «Однопиксельный спектрометр на основе перестраиваемого тандемного органического фотодетектора» опубликовано в журнале Device. Работа поддержана Национальным научным фондом и Управлением военно-морских исследований США.