Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали ультракомпактный спектрометр размером меньше ногтя большого пальца — на порядки меньший, чем существующие аналоги, — способный точно измерять длины волн света в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Эта технология открывает путь к интеграции высокоточной спектроскопии в портативные устройства, включая смартфоны, и может стать основой для нового поколения миниатюрных датчиков.
«Мы создали спектрометр, который работает быстро, потребляет мало энергии и чувствителен к широкому диапазону света, — говорит профессор Брендан О'Коннор, ведущий автор исследования и специалист по механической и аэрокосмической инженерии. — Наш прототип занимает всего несколько квадратных миллиметров — он легко поместится в смартфоне. При желании его можно сделать даже размером с отдельный пиксель».
Сердцем устройства является крошечный органический фотодетектор, чувствительность которого можно динамически настраивать. Вместо сложной оптической системы, как в традиционных спектрометрах, новое устройство использует изменение подаваемого напряжения для "настройки" детектора на разные длины волн.
Процесс прост:
- На фотодетектор подаётся быстро меняющийся диапазон напряжений (менее 1 вольта).
- При каждом значении напряжения детектор фиксирует, какой свет он "видит".
- Эти данные передаются в простую вычислительную программу, которая реконструирует полный спектр света, прошедшего через материал или отражённого от него.
Весь цикл измерения занимает менее миллисекунды, что делает технологию пригодной для использования в реальном времени.
Ранние попытки миниатюризации спектрометров сталкивались с рядом ограничений:
- необходимость в громоздкой оптике,
- высокое энергопотребление,
- узкий диапазон чувствительности.
Новое решение устраняет эти недостатки:
- Работает при низком напряжении
- Охватывает широкий спектр — от УФ до ближнего ИК
- Обладает высокой чувствительностью
- Миниатюрен и легко масштабируем
В ходе тестов учёные обнаружили, что их микроспектрометр размером с пиксель по точности не уступает стандартным лабораторным устройствам, а его чувствительность сопоставима с коммерческими фотодетекторами. Это делает технологию перспективной не только для потребительской электроники, но и для научных приложений.
«В долгосрочной перспективе наша цель — вывести спектрометры на массовый рынок, — говорит О'Коннор. — Благодаря малым размерам и низкому энергопотреблению, эта технология идеально подходит для встраивания в смартфоны. Представьте, что вы сможете с помощью телефона определить состав продукта, проверить качество кожи, оценить зрелость фруктов или даже провести экспресс-анализ воды».
Кроме потребительских приложений, новая разработка может трансформировать:
- Медицинскую диагностику (портативные анализаторы крови, кожи),
- Сельское хозяйство (оценка состояния растений),
- Экологический мониторинг,
- Научные исследования, включая спектральную микроскопию и гиперспектральную съёмку.
На фото прототипы ячеек спектрометра на основе органических фотоприёмников. Каждый металлический стержень — это отдельный детектор, способный измерять спектр света.
Фото: Брендан О'Коннор, Университет штата Северная Каролина
Источник: https://www.eenewseurope.com/en/tiny-spectrometer-can-be-integrated-into-a-smartphone/
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/