苏黎世联邦理工学院研发可嵌入智能手机的紧凑型红外光谱仪

如今，智能手机几乎可以执行所有功能：拍摄照片或视频、发送消息、确定当前位置、以及视频电话等。如果加上ETH研究人员开发的这款多功能紧凑型红外光谱仪，我们的智能手机甚至可以确定啤酒的酒精含量，或者一份水果的成熟程度。

乍一看，使用智能手机进行化学分析似乎是一个很大胆的想法。因为，目前可以进行此类化学分析的红外光谱仪通常重达几公斤到几十公斤，很难将它们集成到手持设备中。据麦姆斯咨询报道，苏黎世联邦理工学院物理系光学纳米材料教授Rachel Grange领导的研究小组现在朝着这一愿景迈出了重要的一步，David Pohl和Marc Reig Escalé与其他同事合作开发了一款尺寸仅约2平方厘米的芯片。利用这款芯片，他们可以像使用传统光谱仪一样分析红外光。

波导替代反射镜

传统光谱仪的入射光会在反射镜反射之前先经过分光系统将其在一定空间内按规律分开，然后反射光束重新组合并用光电探测器测量。移动其中一个反射镜便会产生干涉图纹，利用干涉图纹可以确定入射光中不同波长的比例。由于每种化学物质都有其独特的红外特征吸收，因此科学家可以使用所得的图谱来识别测试样品中出现的物质和浓度。

ETH研究人员开发的微型光谱仪也利用了相同的原理。但是，在他们开发的器件中，不再借助可移动反射镜来分析入射光。他们采用了一种可以通过外部电场调节光学折射率的特殊波导。Pohl解释说：“改变折射率具有与移动反射镜相似的效果，因此，这种设计使我们能够以相同的方式分离入射光谱。”

有挑战的结构化工艺

根据波导的配置，研究人员可以检测光谱的不同部分。“理论上，只要合理配置波导，我们的微型光谱仪不仅可以测量红外光，还可以测量可见光。”Escalé表示。与仅能覆盖狭窄光谱范围的其他集成光谱仪相比，Grange小组开发的器件具有重大优势，因为它可以很方便地实现宽光谱分析。

除了体积小巧之外，ETH物理学家的创新还具有另外两个优点：与需要不断重新校准的传统设备相比，这种“芯片上的光谱仪”仅需校准一次；此外，由于它不包含任何活动部件，因此更经久耐用，需要的维护更少。

ETH研究人员在这款片上光谱仪中使用了一种材料，这种材料在电信行业中也用作调制器。该材料具有许多积极的特性，但作为波导，它会将光限制在内部。这一缺点使其不够理想，因为只有在部分引导光可以射出的情况下才可能进行测量。为此，科学家设计了一种精细的金属结构以连接到波导上，从而将光散射到器件外部。Grange解释说：“这需要在洁净室进行大量工作，按照我们所需要的方式构造材料。”

完美适用于太空应用

不过，这种微型光谱仪要实际集成到移动设备或其他电子设备中，仍然需要进行一些技术改进。Grange说：“目前，我们还需要利用外部传感器测量信号。因此，如果我们要打造一款完整的紧凑设备，还需要集成对应的探测器。”

最初，研究人员的目标应用并不是化学分析，而是针对完全不同的应用——天文学研究，红外光谱仪可以提供有关遥远天体的重要信息。由于地球的大气层吸收了大量的红外光，因此，需要将这些仪器放置在太空中的卫星或望远镜上。这种紧凑、轻便且稳定的微型光谱仪，在向太空运送时显然相对更经济，自然具有很大优势。