Un nouveau filtre pour la lumière infrarouge pourrait voir la technologie de numérisation et de dépistage dégringoler en prix et en taille. Construit sur la nanotechnologie, le nouveau filtre thermique promet une technologie portable et robuste pour remplacer les configurations de spectroscopie infrarouge de bureau actuelles qui sont encombrantes, lourdes et coûtent de 10 000 $ à plus de 100 000 $.
Étant donné que la nouvelle technologie est construite sur la technologie du silicium, sa fabrication peut être mise à l'échelle, avec le potentiel de pousser les coûts en dessous de 1 $ par filtre, ont déclaré ses développeurs.
« Le milieu infrarouge est mûr pour le développement technologique », a déclaré le professeur Kenneth Crozier, directeur adjoint de l'Arc Center of Excellence for Transformative Meta-Optics (TMOS), qui dirige le groupe de recherche.
« Il existe des systèmes à haute performance, mais ils sont chers. Cette technologie plus petite, plus légère et à faible puissance pourrait ouvrir de nombreuses applications; par exemple, les tests sur le terrain des produits agricoles, tels que le lait et l'huile d'olive, ainsi que le dépistage et le tri des matériaux recyclés. »
La recherche est publiée dans Critiques laser et photonique.
De nombreux matériaux peuvent être facilement identifiés à partir de la façon dont ils absorbent différentes parties du spectre infrarouge, de sorte que la spectroscopie infrarouge est utile pour surveiller les contaminants, par exemple dans les processus industriels.
La spectroscopie repose sur la propagation de la source de lumière dans un spectre, ce qui est conventionnellement effectué avec un réseau ou un prisme pour étaler la lumière infrarouge: différentes parties du spectre sont envoyées dans l'échantillon en inclinant le réseau d'avant en arrière.
Pour une robustesse, l'équipe TMOS a plutôt opté pour un composant non déménageant pour sélectionner des parties spécifiques du spectre infrarouge, sous la forme d'un filtre passe-bande. S'appuyant sur d'autres recherches au sein des TMO qui avaient utilisé le chauffage pour varier le comportement des composants, ils ont conçu un filtre avec une longueur d'onde de passe-bande dépendante de la température.
Ceci est rendu possible en rendant le filtre à partir du silicium, dont l'indice de réfraction se déplace en douceur avec la température.
« La grande chose à ce sujet est qu'elle est très stable et réversible », a déclaré Ben Russell, Ph.D. Étudiant en TMOS.
Pour générer un comportement passe-bande à partir du silicium, l'équipe a utilisé une métasurface, une couche de silicium d'environ 1,5 microns d'épaisseur avec un tableau de caractéristiques nanométriques sculptées, assis sur une couche de saphir (AL2O3) 470 microns d'épaisseur.
Initialement, Russell a modélisé les dimensions de la métasurface, provenant de deux solutions possibles: des rainures parallèles de 1,002 nm de profondeur, espacées de 1 683 nm et des rainures croisées, 1 060 nm de profondeur et 1 684 nm de distance. Alors que les rainures parallèles ont donné de meilleures propriétés spectrales, elles étaient sensibles à la polarisation de la lumière, alors que le motif croisé bidimensionnel ne l'était pas.
Russell a ensuite créé des prototypes des deux en gravant soigneusement le motif en une tranche de silicium-sur-sapphire standard – qui avait besoin de quelques répétitions, car il a initialement sous-estimé le taux de gravure.
Effectivement, le prototype fini s'est comporté comme modélisé, affichant un décalage de longueur d'onde linéaire de 80 nanomètres, à travers les températures de fonctionnement standard de 25 ° C à 420 ° C. Un chauffage et un refroidissement plus extrêmes aux températures cryogéniques ont étendu cela à 140 nm – bien que ces extrêmes soient peu utiles à l'avenir.
Avec un réglage de température stable atteint, l'équipe a testé les capacités spectroscopiques du filtre sur un certain nombre d'éléments de tous les jours, par exemple, mesurer avec succès du ruban polymide et une fenêtre de séléniure de zinc.
Ils étaient également heureux de pouvoir faire facilement distinguer deux plastiques clairs et recyclables de composition différente, LDPE et PET.
« Les gens de la surveillance environnementale, de l'agriculture et du contrôle et de la sécurité des processus industriels comprennent déjà l'utilité des outils de spectroscopie infrarouge portables. La prolifération des spectromètres compacts, peu coûteux et fiables sera une aubaine, et nos résultats nous rapprocheront un autre pas », indiquent les chercheurs.
