Спектрометр размером с песчинку: ИИ и наноструктуры заменили лабораторное оборудование

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе (UC Davis) создали спектрометр на чипе, размер которого приближается к песчинке. Новая технология заменяет громоздкое лабораторное оборудование, используя искусственный интеллект (ИИ) и миниатюрные датчики для анализа химического состава материалов.

Традиционные спектрометры работают путем разделения света на составляющие цвета с помощью призм или решеток, что требует значительного пространства и делает приборы громоздкими. Разработка UC Davis отказывается от этого подхода. Вместо этого чип использует 16 кремниевых детекторов, каждый из которых по-разному реагирует на падающий свет. Детекторы собирают закодированные сигналы, содержащие скрытую спектральную информацию. Затем полносвязная нейронная сеть, обученная на тысячах примеров, восстанавливает исходный световой спектр с точностью около 8 нм, решая так называемую «обратную задачу».

Ключевым прорывом стала модификация поверхности стандартных кремниевых фотодиодов с помощью специальных текстур, улавливающих фотоны (PTST). Это позволило расширить чувствительность чипа в ближний инфракрасный (NIR) диапазон (до 1100 нм), который важен для биомедицинской визуализации, так как проникает глубже в ткани человека. Текстурированная поверхность рассеивает свет, увеличивая вероятность его поглощения кремнием.

Помимо этого, чип оснащен высокоскоростными датчиками, способными измерять время жизни фотонов с высокой точностью. Это позволяет регистрировать сверхбыстрые взаимодействия света с веществом, которые могут быть недоступны традиционным спектрометрам.

Готовое устройство занимает площадь всего 0,4 кв. мм, сохраняя высокую чувствительность и устойчивость к электрическим помехам. По мнению ученых, технология может открыть путь к созданию компактных устройств гиперспектрального анализа реального времени для портативной медицинской диагностики, носимых мониторов здоровья, дистанционного зондирования окружающей среды и контроля качества продуктов питания.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены SPIE--International Society for Optics and Photonics.

Ahasan Ahamed, Htet Myat, Amita Rawat, Lisa N. McPhillips, M. Saif Islam. AI-augmented photon-trapping spectrometer-on-a-chip on silicon platform with extended near-infrared sensitivity. Advanced Photonics, 2026; 8 (01) DOI: 10.1117/1.AP.8.1.016008