کوچک‌ترین طیف‌سنج جهان با سرعت ثبت کمتر از یک میلی‌ثانیه ساخته شد

پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، کوچک‌ترین طیف‌سنج جهان را با سرعت ثبت کمتر از یک میلی‌ثانیه توسعه داده‌اند. به گزارش تک‌ناک، این طیف‌سنج می‌تواند ابزارهای پیشرفته تحلیل شیمیایی را به تلفن‌های هوشمند و دیگر دستگاه‌های جمع‌وجور بیاورد. طیف‌سنج‌ها، ابزارهایی حیاتی هستند که تعامل مواد با نور را تحلیل می‌کنند تا ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی آنها را شناسایی نمایند. این ابزارها در حوزه‌هایی مانند تشخیص پزشکی، پایش محیط‌ زیست، اکتشافات فضایی و کنترل کیفیت در تولیدات صنعتی کاربرد دارند.اگرچه طیف‌سنج‌ها در سال‌های اخیر کوچک‌تر شده‌اند، اما همچنان برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی روزمره، به نسبت بزرگ به حساب می‌آیند.اکنون پژوهشگران نمونه اولیه از طیف‌سنجی ساخته‌اند که تنها چند میلی‌متر مربع اندازه دارد؛ به‌قدری کوچک که می‌تواند روی یک تلفن همراه قرار گیرد یا حتی به‌ عنوان یک پیکسل مجزا در یک آرایه حسگر عمل کند.این دستگاه می‌تواند نور را از ناحیه فرابنفش تا فروسرخ نزدیک شناسایی کند. این کار با استفاده از فتودیود (حسگر نوری) ویژه‌ای انجام می‌شود که حساسیت آن با توجه به ولتاژ ورودی تغییر می‌کند.پژوهشگران با اسکن ولتاژهایی کمتر از یک ولت و ثبت واکنش‌های فتودیود، می‌توانند طیف کامل نوری که از یک ماده بازتاب یافته یا عبور کرده است را به‌ صورت محاسباتی بازسازی کنند.برندان اکانر، نویسنده مسئول مقاله و استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در NC State گفت: «شما داده‌های کافی دارید که یک برنامه محاسباتی ساده می‌تواند امضای نوری دقیق را بازسازی کند.»بخش بالا:در بخش بالای تصویر، شماتیکی از ساختار لایه‌ای این فوتودیود آلی نشان داده شده است، که از چندین لایه با خواص جذب نوری متفاوت تشکیل شده است. دو نمودار جذب (absorption) در سمت راست، طیف‌های جذب نوری متفاوت برای لایه‌های مختلف را نشان می‌دهند. این ساختار لایه‌ای باعث می‌شود که هر لایه به ناحیه خاصی از طول‌موج نور حساس باشد.بخش پایین:در قسمت پایین تصویر، عملکرد این حسگر برای بازسازی نورهای با پهنای باند باریک (monochromatic light) و پهنای باند وسیع (broadband light) نشان داده شده است.سمت چپ (نور تک‌فام): نمودار نشان می‌دهد که وقتی نور تک‌فام با طول‌موج مشخص وارد می‌شود، پاسخ‌های جداگانه از هر لایه دریافت می‌شود و با ترکیب این پاسخ‌ها می‌توان موقعیت دقیق طول‌ موج نور را بازسازی کرد.سمت راست (نور با پهنای باند وسیع): نمودار نشان می‌دهد که این حسگر قادر است طیف نوری پیچیده‌تری را که شامل طول‌ موج‌های متنوع است (مانند نور خورشید یا نور سفید)، بازسازی کند.تمام این فرایند در کمتر از یک میلی‌ثانیه انجام می‌شود و نیازی به اپتیک‌های پیچیده یا ولتاژهای بالا ندارد؛ مواردی که در گذشته مانع از کوچک‌سازی طیف‌سنج‌ها شده بودند.کوچک‌ترین طیف‌سنج جهان با ولتاژ پایین کار می‌کند، واکنش سریع دارد و حساسیت بالایی در برابر گستره وسیعی از طول‌موج‌های نوری حفظ می‌کند. نکته مهم این است که برخلاف سامانه‌های کوچک‌شده قبلی، به اپتیک پیچیده یا منابع ولتاژ بالا نیاز ندارد.این نمونه اولیه در آزمایش‌های آزمایشگاهی، دقتی هم‌سطح با طیف‌سنج‌های مرسوم نشان داد و حساسیتی برابر با فتودیودهای تجاری داشت.اکانر تصریح کرد: «ما طیف‌سنجی ساخته‌ایم که سریع عمل می‌کند، با ولتاژ پایین کار می‌کند و به طیف وسیعی از نور حساس است. نمونه‌ای که نشان داده‌ایم تنها چند میلی‌متر مربع اندازه دارد و می‌تواند روی گوشی شما نصب شود. حتی اگر بخواهید، می‌توان آن را به اندازه یک پیکسل ساخت.»وی بیان کرد: «طیف‌سنج‌ها، ابزارهای حیاتی برای درک ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی مواد بر اساس تغییرات نور هنگام تعامل با آنها هستند. این ابزارها در حوزه‌هایی از تولید صنعتی گرفته تا تشخیص‌های پزشکی به کار می‌روند. با وجود این‌، کوچک‌ترین طیف‌سنج‌های موجود در بازار هنوز هم حجیم هستند.»اکانر ساخت کوچک‌ترین طیف‌سنج جهان را گامی نخست برای طیف‌سنجی در سطح مصرف‌کننده می‌داند. وی عنوان کرد: «هدف ما در بلندمدت این است که طیف‌سنج‌ها را وارد بازار مصرفی کنیم. اندازه و مصرف انرژی این فناوری، آن را برای استفاده در گوشی‌های هوشمند مناسب می‌سازد و ما معتقد هستیم که این قابلیت، کاربردهای هیجان‌انگیزی را ممکن می‌کند.»این پژوهش با عنوان «طیف‌سنج تک‌پیکسلی مبتنی بر فتودیود آلی دومرحله‌ای با بایاس قابل تنظیم» در نشریه Device منتشر شده است.اعضای تیم تحقیقاتی شامل پژوهشگران و دانشجویان دانشکده‌های مهندسی و علوم مواد دانشگاه NC State هستند. این پروژه با حمایت مالی بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) و دفتر تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده (ONR) انجام شده است.