Карманный ИК-спектрометр

Детекторы инфракрасного излучения пока остаются довольно дорогими приборами и часто требуют для работы сложного криогенного оборудования. Таковы, например, детекторы космических телескопов. Еще один недостаток в том, что современные технологии производства громоздких головок детекторов на основе CdHgTe или InGaAs ограничивают снизу вес этих приборов. Поэтому их сантиметровые размеры вряд ли будут снижены. Однако миниатюризация необходима для следующего поколения носимой потребительской электроники и для других целей, например запуска малых спутников весом в сотни граммов.

Команда физиков из нескольких европейских университетов продемонстрировала возможность недорогой миниатюризации инфракрасного детектора. Работа выполнена под руководством доктора Ивана Шорубалко (Ivan Shorubalko) из научно-исследовательского центра под названием Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий.

Ученые впервые представили работающий прототип инфракрасного Фурье-спектрометра с квантовыми точками в качестве головки детектора. Если технологию удастся отработать и запустить в массовое производство, то такие приборы будут карманными химическими лабораториями. К примеру, встроенные в смартфоны, они смогут вести экспресс-контроль качества пищи, определять вредные химические загрязнения в ней, мониторить чистоту воздуха, выявлять метан, углекислый и прочие газы на производствах, даже обнаруживать поддельные лекарства.

Фурье-спектрометр относится к классу приборов, в которых создается интерференция волн, которую фиксируют датчиками, а затем  вычисляют спектр с помощью преобразования Фурье. В прототипе ИК-спектрометра применены коллоидные точки теллурида ртути. Сенсор на них присоединен к стандартному оптическому волноводу, в котором благодаря отражению от золотого зеркала образуется детектируемая стоячая электромагнитная волна.

Спектрометр с активным рабочим объемом менее 0,1 x 0,1 x 0,1 мм демонстрирует среднее разрешение в 50 cm⁻¹ и работает при комнатной температуре. Остальные электронные и управляющие элементы прибора можно будет легко уменьшить до миллиметровых размеров. Авторы отмечают, что их миниатюрный спектрометр полностью соответствует технологиям производства электроники.

Доктор Шорубалко говорит, что работа группы — это не только прорывное достижение в технологии многоцелевых Фурье-спектрометров. Ее подходы можно будет применять для миниатюризации рамановских спектрометров, биодатчиков, а также для создания высокоразрешающих видео- и фотокамер, в каждый элемент изображения которых встроен свой спектрометр. Коллоидные квантовые точки совместимы с различными подложками, а их спектральный отклик можно настраивать в широком диапазоне длин волн, изменяя их размер и состав. В частности, точки на основе HgTe при изменении размера покрывают как видимую, так и инфракрасную области излучений. (Nature Photonics, Oct 24, 2022)