Spectromètre miniature imprimé en 3D. une, simulation optique-onde du spectromètre. b, image au microscope du spectromètre fabriqué superposée à la distribution d'intensité de a. c, gamme de spectromètres fabriqués. Crédit :Andréa Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, et Alois Herkommer
La miniaturisation des appareils de mesure spectroscopique ouvre de nouvelles voies d'information dans les sciences médicales et l'électronique grand public. Scientifiques de l'Université de Stuttgart, Allemagne, a développé un spectromètre miniature imprimé en 3D avec un volume de 100 par 100 par 300 μm 3 et une résolution spectrale allant jusqu'à 10 nm dans le domaine visible. Ce spectromètre peut être fabriqué directement sur des capteurs de caméra, et un arrangement parallèle permet un rapide (« instantané ») et un profil bas, caméras hyperspectrales hautement personnalisables.
L'écriture laser directe femtoseconde en tant que technologie d'impression 3D a été l'un des éléments clés de la miniaturisation ces dernières années. Elle a transformé le domaine de la micro-optique complexe depuis le début des années 2000. L'ingénierie médicale et l'électronique grand public bénéficient de ces développements. Il est désormais possible de créer des robustes, systèmes optiques de forme libre monolithiques et presque parfaitement alignés sur des substrats presque arbitraires tels que des capteurs d'images ou des fibres optiques.
Simultanément, la miniaturisation des appareils de mesure spectroscopique a été avancée avec la technologie des points quantiques et des nanofils. Celles-ci sont basées sur des approches computationnelles, qui présentent l'inconvénient d'être sensibles à la calibration et nécessitent des algorithmes de reconstruction complexes.
Dans un nouvel article publié dans Lumière :fabrication de pointe , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Alois Herkommer de l'Institut d'optique appliquée et le professeur Giessen du 4e institut de physique, Université de Stuttgart, Allemagne, ont démontré un spectromètre miniature imprimé en 3D insensible à l'angle avec une réponse spatio-spectrale séparée directe. Il a un volume inférieur à 100 par 100 par 300 μm 3 .
a Profils d'intensité normalisés mesurés au niveau du plan image du spectromètre pour des longueurs d'onde d'éclairage allant de 490 nm à 690 nm par pas de 10 nm (monochromateur, la position du profil est indiquée sur la figure 3b). b Ajustements sinc² des profils d'intensité de a. c Positions centrales des ajustements sinc² par longueur d'onde. d Décalage de longueur d'onde par micromètre déduit de c. e Simulation et mesure de largeur de ligne avec un laser rouge ou vert, respectivement. La largeur totale mesurée à mi-hauteur est indiquée par une paire de flèches. La combinaison des mesures d et e donne une résolution spectrale de 9,2 ± 1,1 nm à 532 nm et de 17,8 ± 1,7 nm à 633 nm de longueur d'onde. Crédit :Andréa Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, et Alois Herkommer
La conception est basée sur un spectromètre à réseau classique et a été fabriquée via une écriture laser directe à deux photons combinée à un processus à jet d'encre ultra-fin. Son réseau haute fréquence sur mesure et chirpé permet un comportement fortement dispersif. Le spectromètre miniature présente une gamme de longueurs d'onde dans le visible de 490 nm à 690 nm. Il a une résolution spectrale de 9,2 ± 1,1 nm à 532 nm et 17,8 nm ± 1,7 nm à une longueur d'onde de 633 nm.
L'auteur principal Andrea Toulouse dit, "Avec son volume inférieur à 100 par 100 par 300 μm 3 nous explorons une toute nouvelle gamme de tailles pour les spectromètres directs. Un ordre de grandeur aussi petit ne pouvait être réalisé que par des approches informatiques jusqu'à présent. En revanche, nous traduisons le spectre directement en un signal d'intensité codé dans l'espace qui peut être lu avec un capteur d'image monochromatique commercial."
L'encart (boîte blanche) montre une image au microscope du spectromètre fabriqué (à gauche) et son principe de conception optique (à droite). Crédit :Andréa Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, et Alois Herkommer
"Pour les microoptiques imprimés en 3D, la complexité de la conception optique marque une innovation. Réfractif, Les éléments diffractifs et filtrants spatialement n'ont jamais été combinés dans un si petit volume pour créer un système de mesure complexe et monolithique."
« Notre spectromètre pourrait être fabriqué directement sur un capteur d'image miniature comme la pointe d'un endoscope à puce distale. De cette façon, des régions du corps humain pourraient être examinées avec des rayons de courbure extrêmement élevés qui n'étaient pas accessibles auparavant ", prédisent les scientifiques. " Cela pourrait également être une approche intéressante pour l'imagerie hyperspectrale où le spectromètre serait utilisé comme une cellule unitaire (macro pixel). La redistribution de l'énergie spectrale au lieu du filtrage Fabry-Pérot à haute perte pourrait ainsi permettre des capteurs d'imagerie hyperspectraux très efficaces. La population mondiale sans cesse croissante pourrait bénéficier d'une telle caméra si elle était utilisée pour la cartographie spectrale dans l'agriculture de précision, par exemple."
