חוקרים פיתחו מכשיר שגודלו כעובי שערה למדידת הספקטרום של אור תת-אדום והוא עשוי לאפשר שלל שימושים טכנולוגיים חדשים בעתיד הקרוב

ספקטרומטר אופטי הוא בדרך כלל מכשיר המודד את עוצמת האור של אורכי הגל שמרכיבים אותו. מכיוון שלכל חומר בטבע יש "חתימת אור" (spectral fingerprint) ייחודית משלו, ותהליכים שונים משפיעים על הרכב האור שנמדד, בעזרת ספקטרומטר חוקרים יכולים לזהות הרכב חומרים – אפילו בכוכבים רחוקים, לאבחן מצבים רפואיים מסוימים, ואפילו למדוד את המהירות של גרמי שמיים.

אין פלא, לפיכך, שמדענים ומהנדסים שוקדים כבר למעלה ממאתיים שנה, מאז המצאת הספקטרומטר המודרני הראשון, על שיפור תכונותיו. הם מפתחים ספקטרומטרים מדויקים יותר, רגישים יותר, מהירים יותר ובעלי טווח רחב יותר. במקביל פועלים לפתח ספקטרומטרים זולים וקטנים יותר, שיוכלו להשתלב בטכנולוגיות חדשות, כמו מדידת חומרים בדגימות זעירות, חישה מרחוק או צילום ספקטרלי, לפעמים תוך ויתור מסוים על רמת הדיוק של המדידה או על מאפיינים אחרים.

ספקטרומטרים מיוצרים כיום במגוון רחב של דרכים, שמנצלות תופעות אופטיות התלויות באורך הגל של האור. ספקטרומטר "רגיל" מבוסס על עיקרון דומה לזה של קשת בענן, כשבמקום שטיפות המים באוויר יפרקו את האור, המכשיר משתמש במנסרה שמפרידה את האור לאורכי הגל המרכיבים אותו. דרך אחרת משתמשת בסריג עקיפה, שמשיג אפקט דומה בדרך קצת אחרת. אחרי הפירוק, רכיבים אופטיים נוספים מכוונים את האור לגלאי או למערך של גלאים, כפי שעדשת העין מרכזת את האור על קולטנים ברשתית, והגלאים מודדים את עוצמת האור המגיעה אליהם בכל אורך גל.

ספקטרומטרים אחרים מבוססים על ניתוח ההתאבכות של האור – הדרך שבה האור מגיב עם עצמו, בשיטות מדידה שנקראות אינטרפרומטריה. גם הם מורכבים מכמה רכיבים שמשלימים אלה את אלה. לעומתם, יש ספקטרומטרים קטנים במיוחד המכילים רק גלאים בודדים, ללא רכיבים אופטיים נוספים או חלקים נעים. הגלאים נבדלים ברגישותם לאורכי גל שונים. ניתוח תגובתם של כל הגלאים הללו למקור אור מסוים, מאפשרת להסיק את עוצמת האור בכל אורכי הגל שהמכשיר מסוגל לבדוק.

אורכו של הקו הלבן: שמונה מיקרון | צילום: Yale School of Engineering and Applied Science
ספקטרומטר על שבב. צילום במיקרוסקופ של הרכיב הזערורי. אורכו של הקו הלבן: שמונה מיקרון | צילום: Yale School of Engineering and Applied Science 

מזעור מרבי

צוות חוקרים מארצות הברית ומיפן בשיתוף פרופ' דורון נוה מאוניברסיטת בר-אילן, פיתח לאחרונה ספקטרומטר מיניאטורי על שבב זעיר, שגודלו קרוב למינימום האפשרי, כלומר לאורכי הגל שהוא מודד. הוא מותאם למדידת גלי אור באורך של 9-2 מיקרומטרים (מיליוניות המטר) – תחום של אור תת-אדום (אינפרא-אדום) המכיל "טביעות אצבע" של חומרים רבים ומשמש לזיהוי שלהם ולחישה בהם מרחוק.

הספקטרומטר מורכב מגלאי יחיד, העשוי שכבה דקיקה של זרחן שחור וחומרים נוספים בין שתי לוחיות מתכת זעירות. רגישות הזרחן לאורכי גל מסוימים משתנה בהתאם למתח החשמלי בין הלוחיות. כך יכלו החוקרים להסתפק בגלאי אחד בלבד ולשנות את תפקידו בהתאם לצורך.

אחרי שפענחו את עוצמת הזרם שהגלאי מפיק בכל מתח ובכל אורך גל, הם הקרינו מקורות אור לא ידועים על הגלאי ומדדו את השינויים בזרם החשמלי במתחים שונים. ניתוח המדידות אִפְשֵׁר לשחזר את עוצמת האור באורכי גל שונים של מקורות האור שנבדקו. לדברי החוקרים, הספקטרומטר החדש הוא פשוט וזול במיוחד, וגודלו הזעיר מקדם אותנו לעבר פיתוח יישומים מחקריים חדשים בתחום התת-אדום – מעין "מעבדה על שבב".