Espectrómetro en miniatura impreso en 3D. a, simulación de onda óptica del espectrómetro. B, Imagen de microscopio del espectrómetro fabricado superpuesta con la distribución de intensidad de a. C, Matriz de espectrómetros fabricados. Crédito:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, y Alois Herkommer
La miniaturización de los dispositivos de medición espectroscópica abre nuevos canales de información en la ciencia médica y la electrónica de consumo. Científicos de la Universidad de Stuttgart, Alemania, desarrolló un espectrómetro en miniatura impreso en 3D con un volumen de 100 por 100 por 300 μm 3 y una resolución espectral de hasta 10 nm en el rango visible. Este espectrómetro se puede fabricar directamente en sensores de cámara, y una disposición paralela permite una rápida ("instantánea") y de bajo perfil, Cámaras hiperespectrales altamente personalizables.
La escritura con láser directo de femtosegundos como tecnología de impresión 3-D ha sido uno de los pilares fundamentales de la miniaturización en los últimos años. Ha transformado el campo de la microóptica compleja desde principios de la década de 2000. La ingeniería médica y la electrónica de consumo se benefician de estos desarrollos. Ahora es posible crear robustos, sistemas ópticos monolíticos y de forma libre casi perfectamente alineados en sustratos casi arbitrarios, como sensores de imagen o fibras ópticas.
Simultaneamente, Se ha avanzado en la miniaturización de dispositivos de medición espectroscópica con tecnología de nanocables y puntos cuánticos. Estos se basan en enfoques computacionales, que tienen el inconveniente de ser sensibles a la calibración y requieren complejos algoritmos de reconstrucción.
En un nuevo artículo publicado en Ligero:Fabricación avanzada , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Alois Herkommer del Instituto de Óptica Aplicada y el profesor Giessen del IV Instituto de Física, Universidad de Stuttgart, Alemania, han demostrado un espectrómetro en miniatura impreso en 3D insensible al ángulo con una respuesta espacial-espectral separada directa. Tiene un volumen de menos de 100 por 100 por 300 μm 3 .
a Perfiles de intensidad normalizados medidos en el plano de la imagen del espectrómetro para longitudes de onda de iluminación que van desde 490 nm a 690 nm en pasos de 10 nm (monocromador, La posición del perfil se indica en la Fig. 3b). b Ajustes Sinc² de los perfiles de intensidad de a. c Posiciones centrales de los ajustes sinc² por longitud de onda. d Cambio de longitud de onda por micrómetro deducido de c. e Simulación y medición de ancho de línea con láser rojo o verde, respectivamente. El ancho completo medido a la mitad del máximo se indica con un par de flechas. La combinación de medidas dye produce una resolución espectral de 9,2 ± 1,1 nm a 532 nm y 17,8 ± 1,7 nm a una longitud de onda de 633 nm. Crédito:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, y Alois Herkommer
El diseño se basa en un espectrómetro de rejilla clásico y se fabricó mediante escritura láser directa de dos fotones combinada con un proceso de inyección de tinta superfina. Su rejilla de alta frecuencia personalizada y chirriada permite un comportamiento fuertemente dispersivo. El espectrómetro en miniatura presenta un rango de longitud de onda en el visible de 490 nm a 690 nm. Tiene una resolución espectral de 9,2 ± 1,1 nm a 532 nm y de 17,8 nm ± 1,7 nm a una longitud de onda de 633 nm.
La autora principal Andrea Toulouse dice:"Con su volumen de menos de 100 por 100 por 300 μm 3 exploramos una gama de tamaños completamente nueva para espectrómetros directos. Hasta ahora, un orden de magnitud tan pequeño solo podía realizarse mediante enfoques computacionales. A diferencia de, traducimos el espectro directamente en una señal de intensidad codificada espacialmente que se puede leer con un sensor de imagen monocromático comercial ".
El recuadro (cuadro blanco) muestra una imagen de microscopio del espectrómetro fabricado (izquierda) y su principio de diseño óptico (derecha). Crédito:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, y Alois Herkommer
"Para microópticas impresas en 3D, la complejidad del diseño óptico marca una innovación. Refractivo, Los elementos difractivos y de filtrado espacial nunca se han combinado en un volumen tan pequeño para crear un sistema de medición complejo y monolítico ".
"Nuestro espectrómetro podría fabricarse directamente en un sensor de imagen en miniatura como la punta de un endoscopio de chip distal. De esta manera, regiones del cuerpo humano podrían examinarse con radios de curvatura extremadamente altos que no eran accesibles antes de "los científicos pronosticaron". También podría ser un enfoque interesante para imágenes hiperespectrales donde el espectrómetro se usaría como una celda unitaria (macropíxel). La redistribución de la energía espectral en lugar del filtrado Fabry-Perot de alta pérdida podría permitir así sensores de imágenes hiperespectrales altamente eficientes. La población mundial en constante crecimiento podría beneficiarse de una cámara de este tipo si se utilizara para el mapeo espectral en la agricultura de precisión, por ejemplo."
