Erschließung verborgener visueller Informationen: Ein All-in-One-Detektor für Tausende von Farben

Ein neues ultra-miniaturisiertes Spektrometer bringt photonische Informationen auf unsere Fingerspitze

27.10.2022 - Finnland

Spektrometer werden in Industrie und Forschung häufig zur Erkennung und Analyse von Licht eingesetzt. Spektrometer messen das Lichtspektrum - die Stärke des Lichts bei verschiedenen Wellenlängen, wie die Farben des Regenbogens - und sind ein wichtiges Instrument zur Identifizierung und Analyse von Proben und Materialien. Integrierte On-Chip-Spektrometer wären für eine Vielzahl von Technologien von großem Nutzen, z. B. für Qualitätsprüfungsplattformen, Sicherheitssensoren, biomedizinische Analysegeräte, Gesundheitssysteme, Umweltüberwachungsinstrumente und Weltraumteleskope.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Forschern der Aalto-Universität hat hochempfindliche Spektrometer mit hoher Wellenlängengenauigkeit, hoher spektraler Auflösung und großer Betriebsbandbreite entwickelt, die nur einen einzigen Detektor in Mikrochipgröße verwenden. Die Forschungsergebnisse zu diesem neuen ultra-miniaturisierten Spektrometer wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Unser Ein-Detektor-Spektrometer ist ein All-in-One-Gerät. Wir haben dieses optoelektronische Labor auf einem Chip mit künstlicher Intelligenz entwickelt, die herkömmliche Hardware, wie optische und mechanische Komponenten, ersetzt. Daher benötigt unser rechnergestütztes Spektrometer keine separaten sperrigen Komponenten oder Array-Konstruktionen, um Licht zu streuen und zu filtern. Es kann eine hohe Auflösung erreichen, die mit Tischsystemen vergleichbar ist, aber in einem viel kleineren Gehäuse", sagt Postdoktorand Hoon Hahn Yoon.

Mit unserem Spektrometer können wir die Lichtintensität bei jeder Wellenlänge jenseits des sichtbaren Spektrums mit einem Gerät messen, das wir mit den Fingerspitzen bedienen können. Das Gerät ist vollständig elektrisch steuerbar, so dass es ein enormes Potenzial für Skalierbarkeit und Integration hat. Die direkte Integration in tragbare Geräte wie Smartphones und Drohnen könnte unser tägliches Leben verbessern. Stellen Sie sich vor, dass die nächste Generation unserer Smartphone-Kameras mit Hyperspektralkameras ausgestattet sein könnte, die Farbkameras übertreffen", fügt er hinzu.

Die Verkleinerung von rechnergestützten Spektrometern ist für ihre Verwendung in Chips und implantierbaren Anwendungen unerlässlich. Professor Zhipei Sun, der Leiter des Forschungsteams, sagt: "Herkömmliche Spektrometer sind sperrig, weil sie optische und mechanische Komponenten benötigen, so dass ihre Anwendungen auf Chips begrenzt sind. In diesem Bereich besteht ein zunehmender Bedarf, die Leistung und die Benutzerfreundlichkeit von Spektrometern zu verbessern. Unter diesem Gesichtspunkt sind miniaturisierte Spektrometer sehr wichtig, um hohe Leistung und neue Funktionen in allen Bereichen von Wissenschaft und Industrie zu bieten.

Professor Pertti Hakonen fügt hinzu, dass "Finnland und Aalto in den letzten Jahren in die Photonikforschung investiert haben. So gab es beispielsweise große Unterstützung durch das Exzellenzzentrum der finnischen Akademie für Quantentechnologie, das Flaggschiff für Photonikforschung und -innovation, das InstituteQ und die Otanano-Infrastruktur. Unser neues Spektrometer ist ein klarer Beweis für den Erfolg dieser gemeinsamen Bemühungen. Ich glaube, dass diese Spektrometer mit weiteren Verbesserungen bei Auflösung und Effizienz neue Werkzeuge für die Quanteninformationsverarbeitung liefern könnten.

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