Un equipo científico formado por investigadores de Francia, Canadá y España acaban de publicar un artículo en el que muestran un nuevo espectrómetro de transformada de Fourier de banda ancha integrado en chip que opera en longitudes de onda del infrarrojo cercano y cuenta con una gran superficie de recolección de luz.
Este nuevo espectrómetro consigue ampliar el ancho de banda de operación respecto al estado del arte, permitiendo así que un mismo dispositivo pueda detectar distintos tipos de sustancias con la misma gran resolución y sensibilidad que caracteriza a este tipo de espectrómetros.
¿Por qué son importantes los espectrómetros?
La espectroscopia óptica se ha empleado en multitud de aplicaciones de identificación de moléculas y compuestos específicos valiéndose de la interacción entre la luz y la materia a estudiar, a través de los fenómenos físicos de emisión, dispersión o absorción de la luz.
En particular, el rango espectral de la luz del infrarrojo cercano, que cubre las longitudes de onda entre 800 nm y 2500 nm, ha vuelto a despertar un gran interés con aplicaciones que van desde la industria alimentaria, el análisis químico y biológico, la investigación médica y hasta la supervisión del medio ambiente. Estas aplicaciones a menudo exigen una alta resolución espectral, un amplio ancho de banda operativo y un gran rendimiento óptico.
Los espectrómetros de sobremesa consiguen alta resolución espectral (diferencian muy bien unos compuestos de otros) y operación de banda ancha para la detección de múltiples sustancias; sin embargo, estos sistemas espectroscópicos se basan en instrumentos ópticos voluminosos.
Por el contrario, los espectrómetros miniaturizados, como el de este estudio que ocupa 9,8 × 0,9 mm
2, han surgido como una solución prometedora para realizar análisis fuera del laboratorio con dispositivos portátiles o detección remota montados en microsatélites y vehículos no tripulados.
Espectrómetros de transformada de Fourier
Los espectrómetros de transformada de Fourier (FT) se componen de un interferómetro que divide la luz en dos haces de luz. A uno de los haces se le aplica una pequeña variación en su camino óptico, de forma que al volver a combinarse, los dos haces se suman formando un interferograma en función de la diferencia de camino óptico de los brazos del interferómetro.
El espectro de la luz de entrada se obtiene mediante la transformada de Fourier del interferograma detectado en la salida.
Este método consigue una mayor resolución y también una mayor sensibilidad.
El equipo científico ha explotado el amplio ancho de banda de su reciente
divisor de haz de luz de alto rendimiento , y además ha conseguido implementar una extensa superficie de recolección de luz de 320 × 410 μm2 para aprovechar mejor la ventaja de Jacquinot (o rendimiento óptico).
El rendimiento óptico es una medida de la cantidad de luz que aprovecha el sistema, es decir, de la cantidad de luz procedente de la fuente que llega al detector a la salida. Debido a que en los espectrómetros de transformada de Fourier no introducen elementos dispersivos con pérdidas de energía, la intensidad de la señal a detectar es mucho mayor que en otros espectrómetros basados en redes de difracción, rendijas o primas.
Fabricación y resultados
El dispositivo, que solo ocupa 9,8 × 0,9 mm
2, fue fabricado usando litografía de ultravioleta profunda de 248 nm, exhibiendo más de 13 dB de mejora del rendimiento óptico en comparación con un dispositivo de apertura única. La resolución espectral medida varía entre 29 pm y 49 pm dentro del rango de longitud de onda de operación de 1260 – 1600 nm.
Estos resultados allanan el camino para la implementación de espectrómetros en chip rentables destinados a aplicaciones de múltiples objetivos en el infrarrojo cercano, como el estudio del medio ambiente o el análisis químico.
Enlace al artículo
El trabajo es una colaboración del Instituto de Óptica con el Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (Francia), STMicroelectronics (Francia), el National Research Council Canada y el Center for Research in Photonics de la University of Ottawa (Canada)
