Volume scritto al laser Fs Raman

Aug 27, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13717 (2023) Citare questo articolo

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In questo lavoro dimostriamo l'integrazione di uno spettrometro direttamente sullo schermo dello smartphone mediante iscrizione laser a femtosecondi di un debole reticolo di volume Raman-Nath nello strato di vetro Corning Gorilla o nello schermo protettivo in vetro alluminosilicato temperato posizionato davanti alla fotocamera del telefono. Al di fuori del regime di accumulo termico, per entrambi i vetri è stato trovato un nuovo regime di scrittura che produce una variazione positiva dell'indice di rifrazione che dipende dalla fluenza. La soglia superiore per questo regime di scrittura senza accumulo termico è stata trovata per entrambi i vetri ed era, rispettivamente, a una velocità di ripetizione inferiore a 150 kHz e 101 kHz per una fluenza di 8,7 × 106 J/m2 e 1,4 × 107 J/m2 . Un reticolo Raman-Nath a volume debole di dimensione 0,5 x 3 mm e passo 3 μm è stato posizionato davanti a un cellulare Samsung Galaxy S21 FE per registrare lo spettro utilizzando il 2° ordine di diffrazione. Questo spettrometro copre la banda visibile da 401 a 700 nm con una risoluzione del rilevatore di 0,4 nm/pixel e una risoluzione ottica di 3 nm. È stato utilizzato per determinare il limite di rilevamento della concentrazione di rodamina 6G nell'acqua che è risultato pari a 0,5 mg/L. Questa prova di concetto apre la strada alla spettroscopia di assorbimento sul campo per una rapida raccolta di informazioni.

Dalla loro introduzione nel 19931, gli smartphone sono diventati dispositivi ampiamente utilizzati e integrati nella nostra vita quotidiana in tutto il mondo. Questa piattaforma integrata si è evoluta nel corso degli anni aumentando la sua capacità di potenza di calcolo e aggiungendo nuovi sensori e funzionalità. Ha già sostituito beni di consumo comuni come videocamere o macchine fotografiche, sveglie, orologi, sistemi di posizionamento globale (GPS), calendari, calcolatrici, flash, solo per citarne alcuni, diventando potente quanto un piccolo computer con accesso a la rete. La recente pandemia di Covid ha evidenziato il potenziale di questo strumento per implementare e distribuire rapidamente le applicazioni a una vasta popolazione in tempi record.

La fotonica può rappresentare una strada interessante per aumentare le capacità e quindi il potenziale di questi dispositivi. I produttori hanno già integrato nuovi sensori fotonici come i Lidar per applicazioni di realtà aumentata o il pulsossimetro per acquisire sul campo il livello di ossigeno nel sangue e la frequenza cardiaca su alcuni recenti modelli di smartphone. Allo stesso tempo, molti gruppi di ricerca stanno lavorando attivamente per creare nuove funzionalità su questo dispositivo utilizzando i sensori già presenti a bordo o sviluppandone di nuovi. È stato dimostrato che i sistemi di microscopia che utilizzano fotocamere per smartphone abbinate a un algoritmo contano i globuli bianchi o rossi2 per l'analisi dei campioni di sangue e per il rilevamento di parassiti3, batteri4,5 e virus6. Il livello di zucchero nel sangue può essere rilevato valutando il rapporto tra le componenti spettrali blu e verde sulla fotocamera RGB7. Il livello di torbidità dell'acqua utilizzando la diffusione Mie può essere misurato anche come mostrato in8. È stato anche dimostrato un etilometro ottico basato sulla differenza nel tasso di evaporazione con il contenuto di alcol della nebbia generata nel respiro9. Sono stati dimostrati anche sistemi di spettroscopia in grado di misurare il livello di pH dell'acqua con una risoluzione di 0,305 nm/pixel10. È stato inoltre studiato il rilevamento di contaminanti dell'acqua come rame, cromo, fluoro, piombo, mercurio o pesticidi11. I sistemi di risonanza plasmonica possono essere accoppiati con la spettroscopia per rilevare agenti che sono trasparenti alla larghezza di banda ottica della telecamera e offrono un livello di rilevamento a bassa concentrazione di analita in acqua (100 picogrammi/mL) di enterotossina stafilococcica B come riportato in12.

Tuttavia, queste nuove funzionalità spesso necessitano di aggiunte di componenti aggiuntivi che consumano spazio. Il problema della limitazione dello spazio è preoccupante nelle condizioni in cui sono richiesti dispositivi ottimizzati. Per affrontare questo problema, l'idea di utilizzare gli strati protettivi spessi 750 μm in vetro Corning Gorilla davanti allo schermo per inscrivere dispositivi fotonici è stata proposta da Lapointe et al. in13. Con l'aiuto della scrittura laser a femtosecondi (fs) a 1030 nm, hanno dimostrato una guida d'onda monomodale a bassa perdita di 0,053 dB/cm a 1550 nm. Hanno anche dimostrato un dispositivo di misurazione dell'indice di rifrazione (RI) basato sulle perdite di interazione del campo evanescente sulla superficie del vetro14.