Спектрометры в наши дни используются не только в аналитической химии и астрономии. На основе преломления света работают сотни промышленных и бытовых устройств, от носимых медицинских мониторов до тестеров качества воды. Однако стеклянные фильтры дорогие и трудоемкие в производстве. Ученые предложили заменить стекло на умный пластик.
Международная команда исследователей, включающая инженеров из Кембриджского и Чжэцзянского университетов, разработала революционную технологию миниатюрных спектрометров, которая может значительно повысить доступность и функциональность спектральных изображений в повседневных устройствах.
В публикации, представленной в журнале Science Advances, описывается новая экономичная спектрометрическая платформа, созданная из программируемых пластиковых материалов вместо традиционного стекла. Эти инновационные устройства функционируют во всем видимом и коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR) от 400 до 1600 нм, что открывает множество возможностей для применения.
Спектрометры традиционно представляют собой инструменты, которые анализируют состав света для определения физико-химических характеристик материалов или условий окружающей среды. Они всегда были громоздкими, дорогими и сложными в массовом производстве. Большинство из них также ограничены узкими спектральными диапазонами или используют множество специализированных компонентов для охвата более широкого диапазона.
Новый подход позволяет преодолеть эти трудности благодаря легкой, масштабируемой альтернативе, использующей последние достижения в области науки о полимерах и вычислительной оптики.
Пластиковая революция в оптике
Исследовательская группа была вдохновлена бурным развитием камер для смартфонов, которые теперь в значительной степени используют пластиковые оптические компоненты для достижения высокой эффективности в ультратонких форматах. Применив аналогичный принцип к конструкции спектрометра, ученые использовали прозрачные эпоксидные смолы с памятью формы для создания дисперсионных оптических элементов, которые разделяют свет на его спектральные составляющие.
Данный подход действительно новаторский благодаря использованию внутренних напряжений для настройки оптических свойств пластика. Обычно в процессе производства пластиковых изделий возникают неконтролируемые и нестабильные напряжения. Однако эпоксидные смолы можно механически растягивать при повышенных температурах, чтобы запрограммировать точное и стабильное распределение напряжений в материале. Эти напряжения создают двойное лучепреломление — оптический эффект, при котором свет разделяется в зависимости от длины волны.
Создавая внутреннее напряжение в полимере, можно достигать спектральных характеристик с высокой повторяемостью и настраиваемостью, что крайне сложно реализовать с использованием традиционной оптики. Полученные пленки функционируют как спектральные фильтры, кодируя информацию, которая может быть считана стандартными датчиками изображения. С применением вычислительных алгоритмов восстановления спектра эти плоские компоненты превращаются в высокоэффективные компактные спектрометры.