Fs lasergeschriebener Band Raman

Aug 27, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13717 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In dieser Arbeit demonstrieren wir die Integration eines Spektrometers direkt in den Smartphone-Bildschirm durch Einschreiben eines schwachen Raman-Nath-Volumengitters mit einem Femtosekundenlaser entweder in die Bildschirmschicht aus Corning-Gorilla-Glas oder in den Schutzbildschirm aus gehärtetem Alumosilikatglas, der vor der Telefonkamera platziert ist. Außerhalb des thermischen Akkumulationsregimes wurde für beide Gläser ein neues Schreibregime gefunden, das zu einer positiven Änderung des Brechungsindex führt und von der Fluenz abhängt. Der obere Schwellenwert für dieses Schreibregime ohne Wärmespeicherung wurde für beide Gläser ermittelt und lag bei einer Wiederholungsrate von weniger als 150 kHz bzw. 101 kHz für eine Fluenz von 8,7 × 106 J/m2 und 1,4 × 107 J/m2 . Ein Raman-Nath-Gitter mit schwachem Volumen und einer Abmessung von 0,5 x 3 mm und einem Abstand von 3 μm wurde vor einem Samsung Galaxy S21 FE-Mobiltelefon platziert, um das Spektrum mithilfe der 2. Beugungsordnung aufzuzeichnen. Dieses Spektrometer deckt das sichtbare Band von 401 bis 700 nm mit einer Detektorauflösung von 0,4 nm/Pixel und einer optischen Auflösung von 3 nm ab. Es wurde verwendet, um die Konzentrationsnachweisgrenze von Rhodamin 6G in Wasser zu bestimmen, die bei 0,5 mg/L lag. Dieser Machbarkeitsnachweis ebnet den Weg zur Absorptionsspektroskopie im Feld für eine schnelle Informationsgewinnung.

Seit ihrer Einführung im Jahr 19931 sind Smartphones zu Geräten geworden, die auf der ganzen Welt weit verbreitet und in unser tägliches Leben integriert sind. Diese integrierte Plattform hat sich im Laufe der Jahre durch die Steigerung ihrer Rechenleistung und die Hinzufügung neuer Sensoren und Funktionen weiterentwickelt. Es hat bereits gängige Gebrauchsgegenstände wie Video- oder Fotokameras, Wecker, Uhren, GPS (Global Positioning Systems), Kalender, Taschenrechner und Blitzlampen ersetzt, um nur einige zu nennen, und ist so leistungsstark wie ein kleiner Computer mit Zugriff darauf geworden das Netz. Die jüngste Covid-Pandemie hat das Potenzial dieses Tools deutlich gemacht, Anwendungen in Rekordzeit schnell zu implementieren und an eine große Bevölkerung zu verteilen.

Photonik kann ein interessanter Weg sein, die Fähigkeiten und damit das Potenzial dieser Geräte zu steigern. Hersteller haben bereits neue Photoniksensoren wie Lidars für Augmented-Reality-Anwendungen oder Pulsoximeter zur Erfassung des Blutsauerstoffgehalts und der Herzfrequenz vor Ort in einige neuere Smartphone-Modelle integriert. Gleichzeitig arbeiten viele Forschungsgruppen aktiv daran, neue Funktionalitäten auf diesem Gerät zu schaffen, indem sie die bereits integrierten Sensoren nutzen oder neue entwickeln. Mikroskopiesysteme, die Smartphone-Kameras in Verbindung mit einem Algorithmus nutzen, zählen nachweislich weiße oder rote Blutkörperchen2 zur Blutprobenanalyse sowie zum Nachweis von Parasiten3, Bakterien4,5 und Viren6. Der Blutzuckerspiegel kann durch Auswertung des Verhältnisses der blauen und grünen Spektralkomponenten an der RGB-Kamera erfasst werden7. Der Trübungsgrad von Wasser mithilfe der Mie-Diffusion kann auch wie in 8 gezeigt gemessen werden. Ein optischer Alkoholtester, der auf der Differenz der Verdunstungsrate mit dem Alkoholgehalt des im Atem erzeugten Nebels basiert, wurde ebenfalls demonstriert9. Es wurden auch Spektroskopiesysteme demonstriert, die den pH-Wert des Wassers mit einer Auflösung von 0,305 nm/Pixel10 messen können. Der Nachweis von Wasserverunreinigungen wie Kupfer, Chrom, Fluor, Blei, Quecksilber oder Pestiziden11 wurde ebenfalls untersucht. Plasmonische Resonanzsysteme können mit Spektroskopie gekoppelt werden, um Wirkstoffe zu erkennen, die für die optische Bandbreite der Kamera transparent sind und eine niedrige Nachweiskonzentration des Analyten in Wasser (100 Pikogramm/ml) von Staphylokokken-Enterotoxin B bieten, wie in12 berichtet.

Für diese neuen Funktionalitäten sind jedoch häufig zusätzliche Komponenten erforderlich, die Platz beanspruchen. Das Problem der Platzbeschränkung ist dann von Bedeutung, wenn optimierte Geräte erforderlich sind. Um dieses Problem anzugehen, wurde von Lapointe et al. die Idee vorgeschlagen, die 750 μm dicken Schutzschichten aus Corning-Gorilla-Glas vor dem Bildschirm zum Beschriften photonischer Geräte zu verwenden. in13. Mit Hilfe des Femtosekundenlaserschreibens (fs) bei 1030 nm demonstrierten sie einen verlustarmen Singlemode-Wellenleiter von 0,053 dB/cm bei 1550 nm. Sie stellten auch ein Gerät zur Messung des Brechungsindex (RI) vor, das auf den Wechselwirkungsverlusten des evaneszenten Feldes an der Glasoberfläche basiert14.

Die Fs-Laserfunktionalisierung von glasartigem Material wurde 1996 von Davis et al.15 eingeführt. Ein solcher Prozess nutzt nichtlineare Effekte wie Multiphotonenabsorption oder Tunnelionisation16, um dauerhafte Änderungen im RI zu verursachen. Die nichtlineare Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke lokalisiert die RI-Änderung nur im Fokusvolumen, was die 3D-Modifikation in die Masse des Materials ermöglicht. Die Art der RI-Änderung hängt stark vom Material und den Schreibbedingungen ab und ergibt sich aus der Summe vieler Beiträge wie der Bildung von Farbzentren17, strukturellen Veränderungen in der Glasmatrix18 oder thermischen Effekten, die zu einer Änderung der Dichte19 führen, um nur einige zu nennen . Es gibt auch ein bestimmtes Regime der thermischen Akkumulation mit hoher Wiederholungsrate, das zu großen außerfokalen RI-Modifikationen führt20.

Im Anschluss an die Forschung von Lapointe et al. wurde die Integrität der mechanischen Eigenschaften der Schutzglasschicht durch eine solche FS-Lasermodifikation untersucht und es wurde festgestellt, dass das FS-Schreiben einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Festigkeit des Glases hatte21. In derselben Studie wurde gezeigt, dass die RI-Änderung um eine Größenordnung erhöht werden kann, indem die Anzahl der am Schreiben beteiligten Photonen verringert wird (Verringerung der Wellenlänge).

In dieser Arbeit demonstrieren wir zunächst ein neues Schreibregime ohne Hitzestau, das zu hochaufgelösten feinen Schreibpunkten mit positiver Indexänderung führt. Eine positive Indexänderung ist für das Wellenleiterschreiben von besonderem Interesse, während ein kleiner Indexänderungsbereich für das Schreiben von Gittern mit feinen Perioden entscheidend ist. Dieses Regime ist nicht auf ein einzelnes Glas beschränkt, da wir es in zwei verschiedenen Gläsern demonstrieren. Mit dieser neuartigen Schreibtechnik demonstrieren wir ein Volumenphasengitter, das im Raman-Nath-Regime22 (VRNG) vor der Smartphone-Kamera arbeitet, um ein integriertes Smartphone-Spektrometer zu erzeugen. Der Schlüssel besteht darin, ein schwaches VRNG zu erzeugen, das die herkömmliche Funktion der Kamera nicht wesentlich verändert, aber bei heller Beleuchtung ein Spektrum erzeugt. Daher schlagen wir vor, die Möglichkeit der Verwendung von fs-geschriebenen Volumengittern in diesen Brillen zu prüfen, um einen integrierten Spektrumanalysator mithilfe der RGB-Kamera des Smartphones zu realisieren.

Das fs-Laserschreiben wurde mit einem 8-W-Pharos-Lasersystem von Light Conversion mit einer Pulslänge von 250 fs durchgeführt. Dieser Laser ist mit einem Orpheus OPA gekoppelt, um die Frequenz von ursprünglich 1030 auf 515 nm zu verdoppeln. Der fs-Laserimpuls wurde mit einem 50-fachen Olympus PLAN 0,65-Mikroskopobjektiv mit numerischer Apertur (NA) fokussiert und die Probe auf ein 3-Achsen-Schreibsystem gelegt, das von einem AEROTECH 3200-Controller gesteuert wurde. Die Wiederholungsrate des Lasers wurde mithilfe eines Pulspickers gesteuert, um die Pulsenergie zu schonen. Die Polarisation des Lasers verlief parallel zur Schreibrichtung. Die verwendete Schreibgeschwindigkeit wurde von 0,1 bis 100 mm/s und die Pulsenergie von 82 bis 825 nJ variiert. Für die Beschriftung wurden zwei Arten von Glas verwendet: Corning Gorilla-Glas, ein Alkali-Aluminosilikatglas, das zum Schutz von Multimedia-Bildschirmgeräten verwendet wird, und gehärtetes Aluminosilikatglas, eine generische, abnehmbare Zusatzschutzschicht von Bodyguardz, die leicht im Handel erhältlich ist. Um die induzierte RI-Änderung zu messen, wurde das Ripper-System einer Leihgabe von Photonovainc.com verwendet. Diese interferometrischen Mikroskopiesysteme messen die relative Phasenänderung gegenüber der Umgebung und könnten anhand der Kenntnis des 2D-Querschnittsprofils der Inschrift das RI-Änderungsprofil mithilfe der folgenden Gleichung bestimmen: (1)23.

Dabei ist Δφ die gemessene Phasenänderung, λ die Messwellenlänge, die für dieses System 633 nm beträgt, und h die Höhe der Struktur. Der Querschnitt wurde mit einem klassischen Mikroskopiesystem mit einem 60× (0,8 NA) PLAN Olympus-Objektiv im Sichtbaren gemessen.

Das in diesem Experiment verwendete Mobiltelefon war ein Samsung Galaxy S21 FE mit einer 18-MP-Frontkamera, vor der der VRNG platziert wurde, um das gewünschte Spektrum zu erfassen, wie in Abb. 1a dargestellt. Eine Ladekammer aus Polymethylsiloxan (PDMS) mit einer Dicke von 5 mm und 3 × 3 mm wurde vor die Kamera gestellt, wie in Abb. 1a gezeigt. Ein Glasobjektträger wurde auf die Oberseite der Kammer gelegt, um diese nach dem Einfüllen der Flüssigkeit abzudichten. PDMS wurde ausgewählt, da es gut an Glas haftet und einen versiegelten Hohlraum bildet. Eine kleine Halogenlichtquelle mit 10 W wurde in einem Abstand von 15 cm von der Frontkamera aufgestellt und das Spektrum der Lichtquelle wurde mit einem CCS100-Spektrometer von Thorlabs charakterisiert (siehe Abb. 1b). Zur Kalibrierung der aufgenommenen Spektren wurde anstelle der Probe ein 3-Band-Bandpassfilter verwendet. Seine Transmissionsspektren bei einer Halogenlampenbeleuchtung sind in Abb. 1b) dargestellt.

Prinzipskizze des Spektrometers auf dem Smartphone. Hier ist das Gitter auf die abnehmbare Zusatzschutzschicht aus gehärtetem Glas geschrieben, es könnte aber auch in das Gorilla-Glas selbst integriert werden. Eine Ladekammer aus PDMS kann oben auf dem System angebracht werden, um die Flüssigkeitsaufnahme zu messen. In (b) zeigen wir das Spektrum der Halogenlampe ohne Probe und mit den Kalibrierungsbandpassfiltern vor dem Gitter zur Kalibrierung des Spektrometers.

In unserer vorherigen Studie zum FS-Laserschreiben in Corning Gorilla Glass21 haben wir gezeigt, dass sich eine thermisch bedingte RI-Änderung auf einen großen Bereich jenseits des Brennpunkts auswirkt und so eine 20 x 40 μm große Mehrschichtstruktur erzeugt. Eine solche Struktur ist zu groß, wenn man ein Gitter mit einer Periode von einigen Mikrometern herstellen möchte. Eaton et al.20 haben simuliert, dass durch die Senkung der Wiederholungsrate in Quarzglas unter 100 kHz die thermische Ansammlung zwischen den einzelnen Impulsen erheblich reduziert wird, da die Wärme Zeit hat, sich vor dem Eintreffen des nächsten Impulses zu zerstreuen. Um die Auswirkungen einer solchen thermischen Ansammlung in unseren Gläsern zu charakterisieren, haben wir die Wiederholungsrate unseres Lasers mit einem Pulspicker schrittweise reduziert und gleichzeitig alle anderen Schreibparameter konstant gehalten (λ = 515 nm, v = 50 mm/s, Ep = 825 nJ, NA 0,65). Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt.

Integrierte RI-Profil-Tomographie und Querschnittsbild, das den Übergang und den Beitrag der thermischen Akkumulation auf dem RI-Profil nach fs-Belichtung für Gorilla und gehärtetes Glas bei einer Schreibgeschwindigkeit von 50 mm/s zeigt. In beiden Fällen ist die Struktur außerhalb des Wärmespeicherbereichs schmaler. Die weißen Pfeile auf den Querschnittsbildern geben die Laserrichtung an. Größere Bilder des Querschnittausschnitts finden Sie im Zusatzmaterial.

Wie man in Abb. 2 beobachten kann, werden außerhalb des Wärmeakkumulationsbereichs (e, f) schmalere und längliche Strukturen mit deutlich höherer Exzentrizität geschrieben. Dieser Übergang zu diesem Bereich erfolgt allmählich bei etwa 150 kHz für Gorilla-Glas (Abb. 2e) und 101 kHz für gehärtetes Glas (Abb. 2f), was darauf hindeutet, dass Gorilla-Glas eine etwas höhere Wärmediffusionsrate aufweist als gehärtetes Glas. Unterhalb dieser Frequenzen besteht das RI-Profil aus einem schmalen Peak mit negativem Index (~ 2 μm) und kleinen positiven Schultern. Eine solch schmale Struktur könnte von der Filamentierung herrühren, da die Spitzenleistung für einen 825-nJ-Impuls Pp = 3300 kW beträgt, was über der durch Gleichung (1) definierten selbstfokussierenden Leistungsschwelle (Pth = 550 kW) liegt. (2)24.

wobei α eine Konstante ist, die sich auf die räumliche Strahlverteilung für einen Gaußschen Strahl bezieht und gleich 3,77 ist, λ die Mittenwellenlänge des Impulses, n0 der lineare RI, der 1,523 beträgt, und n2 der nichtlineare RI-Koeffizient, der 4,77 × 10 beträgt– 20 m2/W für Alumosilikatglas25. Wir haben dann versucht, dieses Regime etwas zu optimieren, indem wir für beide Gläser die Geschwindigkeit von 0,1 bis 50 mm/s und eine konstante Pulsenergie zwischen 165 und 825 nJ bei einer Wiederholungsfrequenz von 101 kHz variierten. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt.

Entwicklung der induzierten Änderung der integrierten RI-Profiltomographie unter fs-Belichtung für verschiedene Schreibgeschwindigkeiten bei einer Wiederholungsrate von 101 kHz in Corning Gorilla (a–c) und gehärtetem Aluminosilikatglas (e). (b,d,f) sind Hellfeldbilder der eingeschriebenen Querschnitte für unterschiedliche Schreibgeschwindigkeiten, während der farbige Einschub das Ausgangstransmissionsfeld unter Weißlichtbeleuchtung ist, das entweder eine Einmoden- oder Mehrmodenausbreitung oder keine Ausbreitung zeigt alle. Die Beleuchtungsskala reicht von Blau (wenig Licht) bis Rot (hohe Helligkeit) im Verhältnis zur Umgebung.

In den drei Fällen, die in Abb. 3 dargestellt sind, kann man beobachten, dass es einen Übergang von einem negativen zu einem positiven RI gibt, wenn die Fluenz erhöht wird, entweder durch eine Verringerung der Schreibgeschwindigkeit oder eine Erhöhung der Impulsenergie, und zwar für die beiden verschiedenen Glasarten. Es wird angenommen, dass die negative RI-Änderung bei niedriger Fluenz auf das Abschrecken des Glases bei einer niedrigeren fiktiven Temperatur als in der thermischen Vorgeschichte des Glases zurückzuführen ist, wodurch die lokale Dichte verringert wird19. Die positive RI-Änderung könnte aus der Anhäufung von Farbzentren17 oder aus einer strukturellen Umstrukturierung resultieren, die die 3–4 Si-O-Ringmitglieder anstelle der 5–6 Mitglieder begünstigt18. Beachten Sie, dass die in Abb. 3b, d, f) beobachtete Führung bei Wellenleitern mit negativem Index nicht auf die Hauptindexänderung zentriert ist und wahrscheinlich auf Artefakte mit positivem Index um die Mitte zurückzuführen ist. Eine solche positive Indexänderung ist für das Wellenleiterschreiben von großem Interesse. Dieses Schreibregime mit positivem Index scheint nicht spezifisch für ein Glas zu sein, aber die Übergangsschwellengeschwindigkeit und die Frequenzschwelle hängen vom Material ab. Folglich scheint der Übergang durch die Fluenz (F) in Gl. ausgedrückt zu werden. (3)26.

Dabei ist v die Schreibgeschwindigkeit, Rr die Wiederholungsrate, E1p die Impulsenergie und ω0 die Taille des Strahls für ein 0,65 NA-Mikroskopobjektiv. Unseren Ergebnissen zufolge tritt eine positive Indexänderung bei einer Fluenz über 8,7 × 106 J/m2 für Corning-Gorilla-Glas und 1,4 × 107 J/m2 für gehärtetes Alumosilikatglas auf. In der Querschnittsansicht in Abb. 3b, d, f) kann beobachtet werden, dass eine Zunahme der Fluenz den RI-Änderungsbereich verlängert (die Exzentrizität des Ellipsoids erhöht). Dieses längliche Merkmal ist wahrscheinlich auf die Filamentbildung im Glas zurückzuführen. Eine geringere Pulsenergie bei gleicher Fluenz erzeugt eine feinere Struktur. Bei der Verwendung dieses Schreibmodus für Wellenleiter muss man vorsichtig sein, da solche Wellenleiter in vertikaler Richtung zu Multimoden werden können.

Um VRNGs einzuschreiben, ist eine hohe RI-Änderung in einem sehr dünnen länglichen Bereich erforderlich. Das im letzten Abschnitt vorgeschlagene Schreibregime ist hierfür ideal. Um das Schreiben von VRNG-Strukturen zu optimieren, vergleichen wir zwei Schreibregime: eines bei niedriger Pulsenergie mit hoher Fluenz und das andere bei hoher Pulsenergie mit geringer Fluenz. Zu diesem Zweck wurde ein Gitter aus kleinen VRNGs bestehend aus 30 Linien mit einem Abstand von 3 μm mit unterschiedlichen Fluenzen (von 6,5 bis 104 × 106 J/m2 und von 1,3 bis 34 × 106 J/m2) und unterschiedlicher Anzahl von Durchgängen geschrieben (1 bis 8 Durchgänge). Um die höchste Liniendichte ohne Überlappung zwischen den Beschriftungslinien zu gewährleisten, wurde ein Abstand von 3 μm gewählt. Diese Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Für einen VRNG ist die Gesamtphasenänderung (\(\Delta \phi \propto\Delta n\cdot h\)) relevanter als die RI-Änderung, da die Effizienz des Gitters bestimmt wird durch den induzierten Phasenwechsel. Beispielsweise minimiert eine Phasenänderung um π rad die Leistung in der 0. Ordnung und maximiert somit die Leistung in Beugungsordnungen.

(a) Phasenänderungen für die besten Rezepte aus dem in (b) dargestellten Parameterraster, das Beugungsmuster in Transmission für die VRNGs mit 3 μm Abstand zeigt, die bei hoher und niedriger Fluenz in Gorilla- und gehärtetem Glas für verschiedene Durchgänge geschrieben wurden. Die Tiefe der Beschriftung nimmt mit der Anzahl der Durchgänge zu, was die Zunahme der Phasenänderung erklärt. Die verwendeten Scanparameter lagen zwischen 0,1 und 4 mm/s, 1 bis 8 Durchgängen, 125 bis 865 nJ Pulsenergie und Wiederholungsraten, die mit einem Pulspicker auf 5 kHz und 80 kHz eingestellt wurden. Größere Bilder des Querschnittsausschnitts werden als Zusatzmaterial bereitgestellt.

Wie in Abb. 4 dargestellt, wurde in beiden Fällen das beste Rezept bei höherer Pulsenergie und niedrigerer Fluenz gefunden, was zu einer Phasenänderung von 0,3 rad führt. Durch mehrere Durchgänge wird die Querschnittslänge um den Faktor 1,67 erhöht, was den gleichen Faktor für die Zunahme der Phasenänderung ergibt. Beide Gläser erzeugen eine ähnliche maximale Phasenänderung, aber die Schreibgeschwindigkeit in gehärtetem Glas ist achtmal schneller, daher wurde dieses Glas für die Anwendungsdemonstration ausgewählt.

Ein 3 x 0,5 mm großes VRNG wurde 100 μm unter die Oberfläche des gehärteten Glases eingeschrieben und vor der Smartphone-Kamera platziert, wie in Abb. 1a beschrieben und in Abb. 5a gezeigt. Bei normaler Tageslichtbeleuchtung hat das Gitter keinen Einfluss auf das von der Kamera aufgenommene Bild, solange sich keine helle Punktquelle im Bild befindet (z. B. die Sonne). In einer Umgebung mit wenig Licht erscheinen jedoch parasitäre Spektren in den Bildern für jede Lichtquelle, wie in Abb. 5b dargestellt. Daher kann der VRNG in vielen Situationen auf der Kamera belassen werden, ohne die Hauptfunktionalität des Geräts zu beeinträchtigen. Um seine Verwendung als Spektrometer zu demonstrieren, haben wir das Spektrometer zunächst mit einem Bandpassfilter kalibriert, wie in Abb. 1b beschrieben. Der Kalibrierungsfilter wurde vor dem Glas platziert und mit einer 10-W-Halogenlampe beleuchtet, wie in Abb. 1a gezeigt. Das Gitter verursachte, dass auf dem Pixelraster der Kamera ein gebeugtes Spektrum erschien. Die besten Ergebnisse wurden mit der 2. Beugungsordnung erzielt. Entlang dieses räumlich verteilten Farbmusters wurden nur die roten, grünen oder blauen (RGB) Pixel zur Abtastung des Spektrums verwendet, die die maximalen Signale lieferten. Daher wurde das Spektrum in drei Bänder unterteilt: Rot, Grün und Blau. Diese Strategie wurde verwendet, um dem möglichen Übersprechen zwischen Beugungsordnungen wie der 2. (verwendeten) und der 3. (parasitären) Ordnung entgegenzuwirken. Das Nachweisband und die Isolierung sind im Zusatzmaterial dargestellt.

(a) VRNG in gehärtetes Glas eingeschrieben und vor der Smartphone-Kamera platziert. (b) Das Gitter hat keinen Einfluss auf die mit der Kamera aufgenommene Bildqualität bei Tageslicht, wenn keine hellen Quellen vorhanden sind. Die Beugungsspektren erscheinen jedoch, wenn helles Licht in die Nähe des Gitters gebracht wird oder in einer Umgebung mit wenig Licht. In (c) zeigen wir das von der Kamera aufgenommene Spektrum der 2. Beugungsordnung, erzeugt durch den VRNG aus der Halogenlampe und mit dem Kalibrierungsfilter davor (d). Jedes aufgezeichnete Spektrum wird über eine 3-Pixel-Linie gemittelt, um das Rauschen zu reduzieren.

Man kann die Übereinstimmung zwischen den aufgezeichneten Spektren und dem in Abb. 5c und d dargestellten RGB-Fragmentierungserkennungsschema für die Halogenlampe und die Kalibrierungsfilter beobachten. Die von den Kalibrierungsfiltern erzeugten Kanten bei halbem Maximum jedes Bandes wurden verwendet, um 6 Wellenlängenpunkte für die Kalibrierung festzulegen. Dann wurde eine Polynomanpassung 2. Ordnung verwendet, um die Kalibrierungsfunktion zu finden, wie in Gl. (4).

wobei m die Pixelzahl ist. Trotz des theoretischen sinusförmigen Verhaltens der Beugung erwies sich die Kalibrierungsfunktion als quasilinear mit einer Detektorauflösung von 0,4 nm/Pixel. Diese lineare Streuung ergibt sich aus der Verwendung des VRNG im Kleinwinkelnäherungsbereich. Die optische Auflösung des Detektors wurde mit einer bei 632,8 nm zentrierten Helium-Neon-Laserlinie gemessen und deckte 9 Pixel ab, was 3 nm bei voller Breite und Halbwertsbreite entspricht. Die Verwendung einer feineren Schreibteilung würde die Streuung des Gitters und damit die Auflösung des Spektrometers erhöhen. Allerdings führt eine feine Tonhöhe – sofern sie durch die Schrift aufgelöst werden kann – zu einem höheren Beugungswinkel, was dazu führen kann, dass das Spektralbild außerhalb des Sichtfelds der Kamera liegt. Das verwendete 3-µm-Pitch-Gitter erzeugt ein vollständiges Spektrum 2. Ordnung, das sich auf bis zu 90 % des Sichtfelds der Kamera erstreckt. Die Beugungsleistungseffizienz bei der 2. Ordnung wurde mit 0,3 % des einfallenden Lichts bei 632,8 nm gemessen. Der Formfaktor des Gitters eignet sich gut für die Verwendung des Phasenmasken-Schreibschemas, das nicht nur den Vorteil hat, die Auflösung zu erhöhen, sondern vor allem auch die Produktionszeit drastisch zu verkürzen, um eine Massenproduktion zu ermöglichen.

Als Proof of Concept unter Verwendung dieses kalibrierten Spektrometers ist in Abb. 6a das Absorptionsspektrum dargestellt, das durch unterschiedliche Konzentrationen von Rhodamin 6G in Wasser erzeugt wird, das in die in Abb. 1a dargestellte Ladekammer gegeben wird. Die Anfangskonzentration wurde mit 1 g/L angenommen.

(a) Rohdaten des Absorptionsspektrums, erzeugt durch unterschiedliche Konzentrationen von Rhodamin 6G in Wasser. Das aufgezeichnete Spektrum jeder Konzentration ist im Einschub dargestellt. Rohdaten werden angezeigt, um die Leistung und Einschränkungen des physischen Geräts anzuzeigen. (b) Die Intensität bei λ = 522 nm für alle verwendeten Konzentrationen, normiert auf das Wasserspektrum. Die Signalschwankung bei 500 nm ergibt sich aus unterschiedlichen Verstärkungsparametern zwischen den RGB-Bändern, die intern in der Firmware der Kamera durchgeführt werden.

Die in Abb. 6a dargestellten Spektren sind das Durchschnittsergebnis von 3 Pixelzeilen zur Reduzierung des Rauschens. Das verbleibende Rauschen wurde durch Verarbeitung von 10 Bildern des Wasserspektrums quantifiziert und auf ± 0,02 Einheiten bei 2σ (95 %-Konfidenzintervall) festgelegt, wie im Fehlerbalken der Wasserpunktdaten in Abb. 6b dargestellt. Die Obergrenzen des durch dieses Rauschen verursachten Konzentrationsfehlers können durch lineare Interpolation der niedrigsten Variation des gekrümmten Profils in Abb. 6b bewertet werden, die in der Nähe der Konzentrationsnachweisgrenzen um 0,001 g/L auftritt. Dabei ergibt sich ein Fehler von 0,4 mg/L. In Abb. 6a ist zu erkennen, dass sich das 0,1-mg/L-Spektrum mit dem Wasserspektrum überlappt, für das 0,5-mg/L-Spektrum ist jedoch ein kleiner Unterschied zu beobachten. Der Absorptionspeak wird in der Nähe von λ = 522 nm gefunden, was den erwarteten Peaks von Rhodamin 6G in Wasser entspricht, die gegenüber 530 nm in Ethanol27 leicht verschoben sind, wie in28 berichtet. Daher liegt die Nachweisgrenze von Rhodamin 6G bei 0,5 ± 0,4 mg/L für eine 5 mm dicke Ladekammer. Eine bessere Kontrolle über die Erfassungsparameter der Kamera könnte eine Möglichkeit bieten, die Erkennungsgrenzen zu erweitern, das Spektrum über die RGB-Detektoren zu standardisieren und die Erkennung zu linearisieren.

Rhodamin 6G wurde in dieser Studie verwendet, da es sich um einen bekannten Farbstoff mit einer starken Absorptionsbande im sichtbaren Bereich handelt. Nicht alle interessierenden Analyten haben einen so hohen Absorptionskoeffizienten, was zu höheren Nachweisgrenzen führt. Dies könnte für bestimmte Anwendungen wie die Bewertung der Wasserverschmutzung problematisch sein, bei denen die Konzentrationen in der Größenordnung von mg/L liegen. Um diesen Effizienzunterschied abzumildern, kann die Dicke der Ladekammer erhöht werden, was einen exponentiellen Einfluss auf die Nachweisgrenzen hat. Allerdings könnten indirekte Detektionssysteme auch durch Messung der Auswirkung der Anwesenheit eines Analyten auf einen effizienten Absorber – wie Rhodamin – evaluiert werden. Dadurch wurde gezeigt, dass ein selektiver kolorimetrischer Cu2+-Sensor in der Lage ist, Konzentrationen im μg-Bereich unter Verwendung von Rhodaminderivaten29 sowie von Blei30,31 und Cadmium30 zu erfassen, was den Weg zu einem nützlichen Feldspektrometer ebnet.

Über die Demonstration eines integrierten Spektrometers basierend auf der Beschriftung eines kleinen schwachen VRNG vor einer Smartphone-Kamera wurde unter Verwendung einer abnehmbaren Schutzschicht aus gehärtetem Alumosilikatglas berichtet. Solche VRNGs wurden auch in Corning-Gorilla-Glas demonstriert, was die Möglichkeit der Integration des Spektrometers direkt in die Glasschicht des Smartphones eröffnet (kein abnehmbares Gerät). Um eine optimale RI-Änderung durch fs-Schreiben für VRNGs zu erreichen, wurde ein neues Schreibregime ohne thermische Akkumulation charakterisiert. Die oberen Schwellenwerte für die thermische Akkumulation wurden für beide Gläser mit einer Wiederholungsrate von 150 kHz bzw. 101 kHz für Corning-Gorilla-Glas und gehärtetes Aluminosilikatglas gemessen. Unterhalb dieser Frequenzen wurde ein Übergang von einer negativen (geringe Fluenz) zu einer positiven (hohe Fluenz) RI-Änderung beobachtet. Die zum Erreichen eines positiven Indexänderungsregimes erforderliche Fluenz beträgt 8,7 × 106 J/m2 und 1,4 × 107 J/m2 für jedes der jeweiligen Gläser. Diese Regime wurden für die VRNG-Produktion untersucht, bei der eine hohe Phasenänderung in einem engen Bereich bevorzugt wird. Eine solche Optimierung zeigte, dass eine niedrige Fluenz und eine hohe Pulsenergie in Verbindung mit einer Mehrfachdurchlaufstrategie vorzuziehen sind. Schwache VRNGs mit einer Phasenänderung von 0,2–0,4 rad wurden vor einer Smartphone-Kamera eingebaut. Es zeigte sich, dass eine solche Integration die Hauptfunktion der Kamera im Betrieb mit hoher Helligkeit nicht beeinträchtigt, wenn keine hellen Quellen vorhanden sind. Die RGB-Kamera wurde als 3-Wellenband-Spektrometer verwendet und lieferte eine optische Auflösung von 3 nm und eine Detektorauflösung von 0,4 nm/Pixel. Die Nachweisgrenze des Spektrometers wurde unter Verwendung verschiedener Konzentrationen von Rhodamin 6G in Wasser gemessen und betrug 0,5 mg/L ± 0,4 mg/L. Wir können daher den Schluss ziehen, dass fs-beschriftete Strukturen dauerhaft oder entfernbar in das Smartphone integriert werden können, um eine Spektrometerfunktionalität zu integrieren, mit der das Vorhandensein von Analyten nachgewiesen und quantifiziert werden kann. Es könnte interessant sein, den Kompromiss zwischen der Verwendung eines Gitters 2. und 1. Ordnung zu bewerten, da letzteres je nach Überlappung der Schreiblinien theoretisch effizienter sein könnte. Diese Demonstration ebnet den Weg für die Absorptionsspektroskopie auf Smartphones und fördert die Integration der Photonik.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.

Abteilung für Technische Physik, Ecole Polytechnique Montréal, 2900 Édouard-Montpetit, Montreal, QC, H3T 1J4, Kanada

Jean-Sébastien Boisvert & Raman Kashyap

Fakultät für Elektrotechnik, Poly-Grames, Ecole Polytechnique Montréal, 2900 Édouard-Montpetit, Montreal, QC, H3T 1J4, Kanada

Sébastien Loranger & Raman Kashyap

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JS.B. realisierte und analysierte die fs-Laserschriften, identifizierte die Beschriftungsregime, führte die Kalibrierung und Datenverarbeitung der RGB-Kamera durch und verfasste das Manuskript. SB half bei der Analyse und Interpretation der RGB-Kameradaten. RK ist für die Finanzierung und Aufsicht verantwortlich. Alle Autoren waren an der Überarbeitung des Manuskripts beteiligt.

Korrespondenz mit Jean-Sébastien Boisvert.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen. RK ist auch mit PhotoNova Inc. verbunden, das den Ripper für die in diesem Artikel vorgestellten Messungen der induzierten RI-Änderung geliehen hat.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Boisvert, JS., Loranger, S. & Kashyap, R. Fs lasergeschriebener Band Raman-Nath-Gitter für integriertes Spektrometer auf dem Smartphone. Sci Rep 13, 13717 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40909-9

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Eingegangen: 24. April 2023

Angenommen: 18. August 2023

Veröffentlicht: 22. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40909-9

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