초소형 적외선 분광기: 휴대용 화학 분석을 위한 2cm² 칩

휴대전화는 거의 모든 것을 할 수 있습니다. 이 장치로 맥주의 알코올 함량이나 과일의 숙성도를 확인하는 것도 가능할지 모릅니다. 오늘날 화학 분석에 사용되는 적외선 분광기는 일반적으로 무게가 수 킬로그램에 달하며 휴대용 기기에 통합하기 어렵습니다.

기존 분광기와 같은 방식으로 적외선을 분석할 수 있는 약 2제곱센티미터 크기의 칩이 개발되었습니다. 기존 분광기는 입사광을 두 경로로 분할한 후 두 개의 거울에 반사시킵니다. 반사된 광빔은 재결합되어 광검출기로 측정됩니다. 거울 중 하나를 이동시키면 간섭 무늬가 생성되어 입사 신호의 서로 다른 파장 비율을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 화학 물질은 적외선 스펙트럼에서 특성적인 간극을 생성하므로, 과학자들은 결과 패턴을 사용하여 테스트 샘플에 어떤 물질이 어떤 농도로 존재하는지 식별할 수 있습니다.

이와 같은 원리가 새로운 미니 분광기에도 적용됩니다. 그러나 새로운 장치에서는 입사광을 이동식 거울의 도움으로 분석하지 않습니다. 대신, 외부 전기장으로 조정할 수 있는 광학 굴절률을 가진 특수 도파관을 사용합니다. 굴절률을 변화시키면 거울을 이동시킬 때 일어나는 일과 유사한 효과가 발생하여 입사광의 스펙트럼을 같은 방식으로 분산시킬 수 있습니다.

도파관이 어떻게 구성되는지에 따라 연구자들은 빛 스펙트럼의 다른 부분을 조사할 수 있습니다. 빛 스펙트럼의 좁은 범위만 커버할 수 있는 다른 집적 분광기와 달리, 새로운 장치는 스펙트럼의 넓은 구간을 쉽게 분석할 수 있습니다. 기존 장치가 반복적인 재보정을 필요로 하는 반면, 이 분광기는 한 번만 보정하면 되며, 움직이는 부품이 없어 유지보수가 덜 필요합니다.

연구자들은 통신 산업에서 변조기로도 사용되는 물질을 사용했습니다. 이 물질은 많은 긍정적 특성을 가지지만 도파관으로서 빛을 내부에 가두는 단점이 있습니다. 측정은 유도된 빛의 일부가 밖으로 나갈 수 있을 때만 가능하므로 이는 바람직하지 않습니다. 이 때문에 연구자들은 빛을 장치 외부로 산란시키는 섬세한 금속 구조를 도파관에 부착했습니다.