Et nyt filter til infrarødt lys kunne se scanning og screeningsteknologi tumle i pris og størrelse. Bygget på nanoteknologi lover det nye varmen-indstillingsfilter håndholdt, robust teknologi til at erstatte den aktuelle desktop infrarøde spektroskopiopsætninger, der er voluminøse, tunge og omkostninger fra $ 10.000 op til mere end $ 100.000.
Fordi den nye teknologi er bygget på siliciumteknologi, kan dens fremstilling skaleres med potentialet til at skubbe omkostningerne ned under $ 1 pr. Filter, sagde dens udviklere.
“Den midterste infrarøde er moden for teknologisk udvikling,” sagde professor Kenneth Crozier, viceadministrerende direktør for Arc Center of Excellence for Transformative Meta-Optics (TMOS), der leder forskningsgruppen.
“Der er højtydende systemer til rådighed, men de er dyre. Denne mindre, lettere, lav effekt teknologi kan åbne en masse applikationer; for eksempel felttest af landbrugsprodukter, såsom mælk og olivenolie og screening og sortering af genanvendte materialer.”
Forskningen offentliggøres i Laser- og fotonikanmeldelser.
Mange materialer kan let identificeres fra den måde, de absorberer forskellige dele af det infrarøde spektrum, så infrarød spektroskopi er nyttigt til overvågning af forurenende stoffer, for eksempel i industrielle processer.
Spektroskopi er afhængig af at sprede lyskilden til et spektrum, som konventionelt udføres med et gitter eller prisme for at sprede det infrarøde lys: forskellige dele af spektret sendes i prøven ved at vippe gitteret frem og tilbage.
For robusthed valgte TMOS-teamet i stedet en ikke-bevægende komponent for at vælge specifikke dele af det infrarøde spektrum i form af et båndpasfilter. På baggrund af anden forskning inden for TMO’er, der havde brugt opvarmning til at variere komponentadfærd, udtænkte de et filter med temperaturafhængig båndpasbølgelængde.
Dette muliggøres ved at gøre filteret fra silicium, hvis brydningsindeks skifter glat med temperatur.
“Det store ved det er, at det er meget stabilt og reversibelt,” sagde Ben Russell, Ph.D. studerende i TMO’er.
For at generere båndpass -opførsel fra silicium brugte teamet en metasurface, et lag silicium ca. 1,5 mikron tyk med en række nanoskala har udskåret2O3) 470 mikron tyk.
Oprindeligt modellerede Russell dimensionerne på metasurface, kom med to mulige opløsninger: parallelle riller 1.002 nm dyb, fordelt 1.683 nm fra hinanden og krydsede riller, 1.060 nm dyb og 1.684 nm fra hinanden. Mens de parallelle riller gav bedre spektrale egenskaber, var de følsomme over for polariseringen af lyset, mens det todimensionelle, krydsede mønster ikke var.
Russell skabte derefter prototyper af begge ved omhyggeligt ætsning af mønsteret til en off-the-shelf silicium-on-sapphire wafer-som havde brug for et par gentagelser, da han oprindeligt undervurderede ætsningshastigheden.
Sikkert nok opførte den færdige prototype sig som modelleret og udviste en lineær bølgelængdeskift på 80 nanometer på tværs af standarddriftstemperaturerne fra 25 ° C til 420 ° C. Mere ekstrem opvarmning og afkøling til kryogene temperaturer udvidede dette til 140 nm – selvom disse ekstremer usandsynligt vil være til praktisk brug i fremtiden.
Med stabile temperaturindstilling, testede teamet de spektroskopiske kapaciteter af filteret på et antal hverdagsgenstande, for eksempel med succes måling af polymidbånd og et zinkselenidvindue.
De var også glade for at kunne let skelne mellem to klare, genanvendelige plast af forskellige sammensætninger, LDPE og PET.
“Folk i miljøovervågning, landbrug og industriel processtyring og sikkerhed forstår allerede anvendeligheden af bærbare infrarøde spektroskopi -værktøjer. Spredningen af kompakte, billige og pålidelige spektrometre vil være en velsignelse, og vores resultater bringer os endnu et skridt nærmere,” stat forskerne.