Une équipe de recherche multinationale, y compris des ingénieurs de l'Université de Cambridge et de l'Université du Zhejiang, a développé une percée dans la technologie de spectromètre miniaturisée qui pourrait étendre considérablement l'accessibilité et la fonctionnalité de l'imagerie spectrale dans les appareils quotidiens.
L'étude, intitulée «Spectromètre Ultra-Broadband Stress-Ingereered», publié dans la revue Avancées scientifiquesdécrit une nouvelle plate-forme de spectromètre à faible coût construite à partir de matériaux plastiques programmables plutôt que de verre conventionnel.
Ces dispositifs innovants fonctionnent dans toute la gamme infrarouge à ondes visibles et à ondes courtes (SWIR) – remplaçant 400 à 1 600 nanomètres – qui ouvre une richesse de possibilités pour les applications du monde réel.
Traditionnellement, les spectromètres – les outils qui analysent la composition de la lumière pour détecter les matériaux ou les conditions environnementales – ont été volumineuses, coûteuses et difficiles à produire en masse. La plupart sont également limités à des bandes spectrales étroites ou s'appuient sur plusieurs composants spécialisés pour couvrir une gamme plus large.
La nouvelle approche contribue à ces problèmes avec une alternative légère et évolutive qui tire parti des progrès récents de la science des polymères et de l'optique informatique.
Une révolution plastique en optique
L'équipe a été inspirée par l'évolution des caméras de smartphone, qui reposent désormais fortement sur des composants optiques en plastique pour obtenir des performances élevées dans des formats ultra-compacts. En appliquant le même principe à la conception du spectromètre, les chercheurs ont utilisé des époxys de mémoire de forme transparente (SMPS) pour ingénieurs des éléments optiques dispersifs – des composants qui séparent la lumière dans ses composants spectraux.
Ce qui rend cette approche vraiment innovante, c'est l'utilisation de la contrainte interne pour adapter les propriétés optiques du plastique. Normalement, les modèles de contrainte qui se développent lors de la fabrication d'objets en plastique ne sont pas contrôlés et instables. Cependant, les SMP peuvent être étirés mécaniquement à des températures élevées pour «programmer» des distributions de contrainte précise et stable dans le matériau. Ces contraintes créent une biréfringence – un effet optique où la lumière est divisée en fonction de sa longueur d'onde.
« En façonnant la contrainte interne dans le polymère, nous sommes en mesure d'ingénierie un comportement spectral avec une répétabilité et une tumaillerie élevées, ce qui est incroyablement difficile à réaliser avec l'optique conventionnelle », a déclaré Gongyuan Zhang de l'Université de Zhejiang, l'auteur principal de l'étude.
Les films résultants agissent comme des filtres spectraux, en codant des informations qui peuvent être lues par des capteurs d'image CMOS standard. À l'aide d'algorithmes de reconstruction spectrale informatique, ces composants planes peuvent être transformés en spectromètres compacts puissants.
Du banc de laboratoire à la technologie grand public
L'une des principales réalisations de ce travail est de démontrer que ces films conçus par le stress peuvent être fabriqués en une seule étape, sans avoir besoin de lithographie ou de nanofabrication coûteuse. Cela rend les appareils idéaux pour la production de masse et l'intégration dans l'électronique grand public, tels que les téléphones mobiles, les moniteurs de santé portables et même les testeurs de qualité alimentaire.
« Nous avons montré que vous pouvez utiliser des plastiques programmables pour couvrir une gamme beaucoup plus large du spectre que les systèmes miniaturisés typiques – dans le Swir », a déclaré le professeur Zongyin Yang, auteur principal de l'Université du Zhejiang. « C'est vraiment important pour des applications telles que la surveillance agricole, l'exploration minérale et les diagnostics médicaux. »
Les spectromètres sont également très compacts, et l'équipe les a intégrés avec succès dans un système d'imagerie spectrale balayant la ligne, ce qui suit leur aptitude à l'imagerie hyperspectrale sous forme portable. En variant linéairement la contrainte sur toute la longueur du film, l'équipe pourrait créer des filtres à gradient capables de scanner une tranche de scène à la fois, collectant de riches données spectrales dans le processus.
Une plate-forme pour l'avenir
Ce travail représente plus qu'une percée technique; Il jette les bases d'une nouvelle classe de dispositifs de détection à large bande ultra-portables qui pourraient transformer les marchés industriels et de consommation.
Les chercheurs soulignent plusieurs applications probables: détecter les polluants dans l'eau ou l'air, vérifiant l'authenticité des médicaments, surveillant la glycémie de manière non invasive et même le tri des matériaux recyclables en temps réel.
En éliminant les compromis traditionnels entre la taille, le coût et la gamme spectrale, la plate-forme pourrait démocratiser l'accès à des données spectrales de haute qualité. Il s'aligne également sur les efforts de recherche plus larges au Département d'ingénierie de Cambridge en photonique informatique et technologies de détection durable, des domaines visant à pousser l'intelligence et la fonctionnalité dans des formats plus petits et plus accessibles.
« Ce travail montre comment les principes de conception mécanique peuvent être utilisés pour remodeler les fonctionnalités photoniques », a déclaré le co-auteur, le professeur Tawcique Hasan du département d'ingénierie de Cambridge.
« En intégrant le stress dans des polymères transparents, nous avons créé une nouvelle classe d'optiques dispersives qui sont non seulement légères et évolutives mais également adaptables sur une large gamme spectrale. Ce niveau de flexibilité est très difficile à réaliser avec l'optique traditionnelle reposant sur des structures statiques et lithographiquement définies. »
