Volumen escrito con láser Fs Raman

Aug 27, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13717 (2023) Citar este artículo

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En este trabajo demostramos la integración de un espectrómetro directamente en la pantalla de un teléfono inteligente mediante la inscripción con láser de femtosegundo de una rejilla de volumen Raman-Nath débil, ya sea en la capa de la pantalla de vidrio Corning Gorilla o en la pantalla protectora de vidrio de aluminosilicato templado colocada frente a la cámara del teléfono. Fuera del régimen de acumulación térmica, se encontró para ambos vidrios un nuevo régimen de escritura que produce un cambio positivo en el índice de refracción y que depende de la fluencia. El umbral superior para este régimen de escritura sin acumulación térmica se encontró para ambos vidrios y tenían, respectivamente, una tasa de repetición inferior a 150 kHz y 101 kHz para una fluencia de 8,7 × 106 J/m2 y 1,4 × 107 J/m2. . Se colocó una rejilla Raman-Nath de volumen débil de dimensión 0,5 por 3 mm y paso de 3 μm frente a un teléfono móvil Samsung Galaxy S21 FE para registrar el espectro utilizando el segundo orden de difracción. Este espectrómetro cubre la banda visible de 401 a 700 nm con una resolución de detector de 0,4 nm/píxel y una resolución óptica de 3 nm. Se utilizó para determinar el límite de detección de concentración de rodamina 6G en agua, que resultó ser de 0,5 mg/l. Esta prueba de concepto allana el camino hacia la espectroscopia de absorción en el campo para una rápida recopilación de información.

Desde su introducción en 19931, los teléfonos inteligentes se han convertido en dispositivos ampliamente utilizados e integrados en nuestra vida diaria en todo el mundo. Esta plataforma integrada ha evolucionado a lo largo de los años mediante el aumento de sus capacidades de potencia informática y la incorporación de nuevos sensores y funciones. Ya ha reemplazado artículos básicos comunes como cámaras de video o fotográficas, despertadores, relojes, sistemas de posicionamiento global (GPS), calendarios, calculadoras, lámparas de flash, solo por nombrar algunos, volviéndose tan poderosos como una pequeña computadora con acceso a La web. La reciente pandemia de Covid ha puesto de relieve el potencial de esta herramienta para implementar y distribuir rápidamente aplicaciones a una gran población en un tiempo récord.

La fotónica puede ser una vía interesante para aumentar las capacidades y, por tanto, el potencial de estos dispositivos. Los fabricantes ya han integrado en algún modelo reciente de smartphones nuevos sensores fotónicos como Lidars para aplicaciones de realidad aumentada o oxímetros de pulso para adquirir en campo el nivel de oxígeno en sangre y la frecuencia cardíaca. Al mismo tiempo, muchos grupos de investigación están trabajando activamente para crear nuevas funcionalidades en este dispositivo utilizando los sensores ya integrados o desarrollando otros nuevos. Se ha demostrado que los sistemas de microscopía que utilizan cámaras de teléfonos inteligentes junto con un algoritmo cuentan los glóbulos blancos o rojos2 para el análisis de muestras de sangre, así como para la detección de parásitos3, bacterias4,5 y virus6. El nivel de azúcar en sangre se puede detectar evaluando la proporción de los componentes espectrales azul y verde en la cámara RGB7. El nivel de turbidez del agua mediante difusión Mie también se puede medir como se muestra en 8. También se demostró un alcoholímetro óptico basado en la diferencia en la tasa de evaporación con el contenido de alcohol de la niebla generada en el aliento9. También se han demostrado sistemas de espectroscopía capaces de medir el nivel de pH del agua con una resolución de 0,305 nm/píxel10. También se investigó la detección de contaminantes en el agua como cobre, cromo, flúor, plomo, mercurio o pesticidas11. Los sistemas de resonancia plasmónica se pueden combinar con espectroscopía para detectar agentes que son transparentes al ancho de banda óptico de la cámara y ofrecen un nivel de detección de baja concentración de analito en agua (100 picogramos/ml) de enterotoxina estafilocócica B, como se informa en 12.

Sin embargo, estas nuevas funcionalidades a menudo necesitan la adición de componentes como complementos que consumen espacio. El problema de la limitación de espacio es motivo de preocupación en condiciones en las que se requieren dispositivos optimizados. Para abordar este problema, Lapointe et al propusieron la idea de utilizar capas protectoras de 750 μm de espesor hechas de vidrio Corning Gorilla frente a la pantalla para inscribir dispositivos fotónicos. en 13. Con la ayuda de escritura láser de femtosegundo (fs) a 1030 nm, demostraron una guía de onda monomodo de baja pérdida de 0,053 dB/cm a 1550 nm. También demostraron un dispositivo de medición del índice de refracción (RI) basado en las pérdidas por interacción del campo evanescente en la superficie del vidrio14.

La funcionalización con láser Fs de material vítreo fue introducida en 1996 por Davis et al.15. Dicho proceso utiliza efectos no lineales, como la absorción multifotónica o la ionización en túnel16, para provocar cambios permanentes en el RI. La dependencia no lineal de la intensidad del campo eléctrico localiza el cambio de RI sólo en el volumen focal, lo que permite la modificación 3D en la mayor parte del material. La naturaleza del cambio de RI depende en gran medida del material y de las condiciones de escritura y surge de la suma de muchas contribuciones, como la formación del centro de color17, cambios estructurales en la matriz del vidrio18 o efectos térmicos que conducen a un cambio de densidad19, por nombrar algunos. . También existe un régimen particular de acumulación térmica a una alta tasa de repetición que da lugar a una gran modificación de RI fuera de foco20.

Siguiendo la investigación de Lapointe et al., se estudió la integridad de las propiedades mecánicas de la capa protectora de vidrio mediante dicha modificación con láser fs y se encontró que la escritura fs tenía un impacto insignificante en la resistencia del vidrio21. En el mismo estudio, se demostró que el cambio de RI se puede aumentar en un orden de magnitud reduciendo la cantidad de fotones necesarios (reduciendo la longitud de onda) involucrados en la escritura.

En este artículo, primero demostramos un nuevo régimen de escritura sin acumulación de calor, lo que conduce a puntos de escritura finos altamente resueltos con un cambio de índice positivo. Un cambio de índice positivo es de particular interés para la escritura de guías de onda, mientras que una región de cambio de índice pequeña es crítica para escribir rejillas con períodos finos. Este régimen no se limita a una sola copa, como lo demostramos en dos copas diferentes. Utilizando esta novedosa técnica de escritura, demostramos una rejilla de fase de volumen que funciona en el régimen Raman-Nath22 (VRNG) frente a la cámara del teléfono inteligente para generar un espectrómetro integrado en el teléfono inteligente. La clave es producir un VRNG débil que no altere significativamente la función tradicional de la cámara pero que genere un espectro cuando se expone a una iluminación brillante. Por lo tanto, proponemos evaluar la posibilidad de utilizar rejillas de volumen escritas en fs en esas gafas para realizar un analizador de espectro integrado utilizando la cámara RGB del teléfono inteligente.

La escritura láser fs se realizó utilizando un sistema láser Pharos de 8 W de Light Conversion con una longitud de pulso de 250 fs. Este láser está acoplado a un Orpheus OPA para duplicar la frecuencia de los 1030 originales a 515 nm. El pulso láser fs se enfocó con un objetivo de microscopio de apertura numérica (NA) Olympus PLAN 0,65 de 50 × y la muestra se colocó en un sistema de escritura de 3 ejes controlado por un controlador AEROTECH 3200. La tasa de repetición del láser se controló mediante un selector de pulso para conservar la energía del pulso. La polarización del láser era paralela a la dirección de escritura. La velocidad de escritura utilizada varió de 0,1 a 100 mm/s y la energía del pulso de 82 a 825 nJ. Se utilizaron dos tipos de vidrio para la escritura: vidrio Corning Gorilla, que es un vidrio de aluminosilicato alcalino que se utiliza para proteger dispositivos de pantalla multimedia, y vidrio de aluminosilicato templado, que es una capa protectora removible adicional genérica de Bodyguardz, fácilmente disponible en el mercado. Para medir el cambio de RI inducido, se utilizó el sistema Ripper prestado por Photonovainc.com. Estos sistemas interferométricos de microscopía miden el cambio de fase relativo del entorno y, al proporcionar conocimiento sobre el perfil de la sección transversal 2D de la inscripción, podrían determinar el perfil de cambio de RI utilizando la siguiente ecuación. (1)23.

donde, Δφ es el cambio de fase medido, λ la longitud de onda de medición, que es de 633 nm para ese sistema y h es la altura de la estructura. La sección transversal se midió con un sistema de microscopía clásico con un objetivo PLAN Olympus de 60 × (0,8 NA) en el visible.

El teléfono móvil utilizado en este experimento fue un Samsung Galaxy S21 FE con una cámara frontal de 18 MP frente a la cual se colocó el VRNG para adquirir el espectro deseado como se representa en la Fig. 1a). Se colocó una cámara de carga compuesta de polimetilsiloxano (PDMS) de 5 mm de espesor y 3 × 3 mm frente a la cámara como se muestra en la Fig. 1a). Se colocó un portaobjetos de vidrio en la parte superior de la cámara para sellarlo después de introducir el líquido. Se seleccionó PDMS porque se adhiere bien al vidrio creando una cavidad sellada. Se colocó una pequeña fuente de luz halógena de 10 W a una distancia de 15 cm de la cámara frontal y el espectro de la fuente de luz se caracterizó con un espectrómetro CCS100 de Thorlabs como se muestra en la Fig. 1b). Para calibrar los espectros registrados, se utilizó un filtro de paso de banda de 3 bandas en lugar de la muestra. Su espectro de transmisión con iluminación con bombilla halógena se muestra en la Fig. 1b).

Esquema del principio del espectrómetro en un teléfono inteligente. Aquí la rejilla está escrita en la capa protectora adicional de vidrio templado extraíble, pero también podría integrarse en el propio Gorilla Glass. Se puede agregar una cámara de carga compuesta de PDMS encima del sistema para medir la absorción de líquidos. En (b) mostramos el espectro de la lámpara halógena sin la muestra y con los filtros de paso de banda de calibración frente a la rejilla para calibrar el espectrómetro.

En nuestro estudio anterior sobre escritura láser fs en Corning Gorilla Glass21, mostramos un cambio de RI impulsado térmicamente que afecta un área grande más allá del punto focal, generando así una estructura multicapa de 20 por 40 μm. Una estructura de este tipo es demasiado grande si se quiere realizar una rejilla de unas pocas micras. Eaton et al.20 han simulado que al reducir la tasa de repetición por debajo de 100 kHz en sílice fundida, la acumulación térmica se reduce significativamente entre cada pulso, ya que el calor tiene tiempo de disiparse antes de la llegada del siguiente pulso. Para caracterizar el impacto de dicha acumulación térmica en nuestras gafas, hemos reducido gradualmente la tasa de repetición de nuestro láser con un selector de pulso mientras mantenemos constantes todos los demás parámetros de escritura (λ = 515 nm, v = 50 mm/s, Ep = 825 nJ, NA 0,65). Los resultados se muestran en la Fig. 2.

Tomografía de perfil RI integrada e imagen de sección transversal que muestra la transición y la contribución de la acumulación térmica en el perfil RI después de la exposición fs para Gorilla y vidrio templado a una velocidad de escritura de 50 mm/s. En ambos casos, la estructura es más estrecha fuera del régimen de acumulación de calor. Las flechas blancas en las imágenes de la sección transversal indican la dirección del láser. En el material complementario se proporcionan imágenes más grandes del recuadro de la sección transversal.

Como se puede observar en la Fig. 2, cuando fuera del régimen de acumulación de calor (e, f), se escriben estructuras más estrechas y alargadas, con una excentricidad significativamente mayor. Esta transición a este régimen ocurre gradualmente alrededor de 150 kHz para Gorilla Glass (Fig. 2e) y 101 kHz para vidrio templado (Fig. 2f), lo que sugiere que Gorilla Glass tiene una tasa de difusión de calor ligeramente mayor que el vidrio templado. Por debajo de tales frecuencias, el perfil RI se compone de un pico estrecho de índice negativo (~ 2 μm) con pequeños hombros positivos. Una estructura tan estrecha podría provenir de la filamentación, ya que la potencia máxima para un pulso de 825 nJ es Pp = 3300 kW, que está por encima del umbral de potencia de autoenfoque (Pth = 550 kW) definido por la ecuación. (2)24.

donde α es una constante relacionada con la distribución espacial del haz para un haz gaussiano que es igual a 3,77, λ la longitud de onda central del pulso, n0 el RI lineal que es 1,523 y n2 el coeficiente RI no lineal que es 4,77 × 10– 20 m2/W para vidrio de aluminosilicato25. Luego intentamos optimizar este régimen variando la velocidad de 0,1 a 50 mm/s y con una energía de pulso constante entre 165 y 825 nJ a una frecuencia de repetición de 101 kHz para ambos vasos. Los resultados se muestran en la Fig. 3.

Evolución del cambio de tomografía del perfil RI integrado inducido bajo exposición fs para diferentes velocidades de escritura a una velocidad de repetición de 101 kHz en Corning Gorilla (a – c) y vidrio de aluminosilicato templado (e). (b,d,f) son imágenes de campo brillante de las secciones transversales inscritas para diferentes velocidades de escritura, mientras que el recuadro de color es el campo de transmisión de salida bajo iluminación de luz blanca que muestra propagación monomodo o multimodo o ninguna propagación a todo. La escala de iluminación va del azul (poca luz) al rojo (alto brillo) en relación con el entorno.

Se puede observar en los 3 casos reportados en la Fig. 3 que hay una transición de un RI negativo a positivo al aumentar la fluencia, ya sea mediante la reducción de la velocidad de escritura o el aumento de la energía del pulso, para los dos tipos diferentes de vidrio. Se cree que el cambio negativo de RI a baja fluencia se atribuye al enfriamiento del vidrio a una temperatura ficticia más baja que la historia térmica del vidrio, lo que reduce la densidad local19. El cambio positivo de RI podría resultar de la acumulación de centros de color17 o de una reestructuración estructural que favorezca a los 3-4 miembros del anillo Si-O en la extensión de los 5-618. Tenga en cuenta que la guía observada en la Fig. 3b, d, f) en guías de onda de índice negativo no está centrada en el cambio de índice principal y probablemente se deba a un artefacto de índice positivo alrededor del centro. Este cambio de índice positivo es de gran interés para la escritura de guías de ondas. Este régimen de escritura de índice positivo no parece ser específico de un vidrio, pero la velocidad del umbral de transición y el umbral de frecuencia dependen del material. En consecuencia, la transición parece estar impulsada por la fluencia con la definición de fluencia (F) expresada en la ecuación. (3)26.

donde v es la velocidad de escritura, Rr la tasa de repetición, E1p la energía del pulso y ω0 la cintura del haz para un objetivo de microscopio de 0,65 NA. Según nuestros resultados, se produce un cambio de índice positivo para una fluencia superior a 8,7 × 106 J/m2 para el vidrio Corning Gorilla y 1,4 × 107 J/m2 para el vidrio de aluminosilicato templado. En la vista de la sección transversal en la Fig. 3b, d, f), se puede observar que un aumento en la fluencia alarga la región de cambio RI (aumenta la excentricidad del elipsoide). Esta característica alargada probablemente se deba a la filamentación en el vidrio. Una energía de pulso más baja para la misma fluencia genera una estructura más fina. Hay que tener cuidado al utilizar este régimen de escritura para guías de ondas, ya que dichas guías de ondas pueden volverse multimodo en la dirección vertical.

Para inscribir VRNG, se requiere un alto cambio de RI en una región alargada muy delgada. El régimen de redacción propuesto en el último apartado es ideal para ello. Para optimizar la escritura de estructuras VRNG, comparamos dos regímenes de escritura: uno con baja energía de pulso con alta fluencia y el otro con alta energía de pulso con baja fluencia. Para ello se ha escrito una grilla de pequeños VRNG compuesta por 30 líneas con un paso de 3 μm con diferentes fluencias (de 6,5 a 104 × 106 J/m2 y de 1,3 a 34 × 106 J/m2) y diferente número de pasadas. (1 a 8 pasadas). Se seleccionó un paso de 3 μm para garantizar la mayor densidad de líneas sin superposición entre las líneas de inscripción. Estos resultados se muestran en la Fig. 4. Para un VRNG, el cambio de fase total (\(\Delta \phi \propto\Delta n\cdot h\)) es más relevante que el cambio de RI ya que se determina la eficiencia de la rejilla. por el cambio de fase inducido. Por ejemplo, un cambio de fase de π rad minimiza la potencia en el orden 0 y, por lo tanto, maximiza la potencia en órdenes de difracción.

(a) Cambios de fase para las mejores recetas de la cuadrícula de parámetros presentada en (b), que muestra patrones de difracción en transmisión para los VRNG de paso de 3 μm escritos con fluencia alta y baja en Gorilla y vidrio templado para varios números de pasadas. La profundidad de la inscripción aumenta con el número de pasadas, lo que explica el aumento del cambio de fase. Los parámetros de escaneo utilizados fueron de 0,1 a 4 mm/s, de 1 a 8 pasadas, de 125 a 865 nJ de energía de pulso y tasas de repetición configuradas con un selector de pulso de 5 kHz y 80 kHz. En el material complementario se proporcionan imágenes más grandes del recuadro de la sección transversal.

Como se muestra en la Fig. 4, en ambos casos la mejor receta se encontró en los casos de mayor energía de pulso y menor fluencia, lo que produce un cambio de fase de 0,3 rad. Pasadas múltiples aumentan la longitud de la sección transversal en un factor de 1,67, lo que produce el mismo factor de aumento en el cambio de fase. Ambos vasos producen un cambio de fase máximo similar, pero la velocidad de escritura en vidrio templado es 8 veces más rápida, por lo que se ha seleccionado este vidrio para la demostración de la aplicación.

Se inscribió un VRNG de 3 por 0,5 mm a 100 μm debajo de la superficie del vidrio templado y se colocó frente a la cámara del teléfono inteligente como se describe en la Fig. 1a y se muestra en la Fig. 5a. En condiciones de iluminación diurna normal, la rejilla no tiene ningún efecto en la imagen tomada por la cámara siempre que no haya una fuente de punto de luz brillante dentro de la imagen (por ejemplo, el sol). Sin embargo, en un entorno con poca luz, aparecerán espectros parásitos en las imágenes para cada fuente de luz, como se muestra en la Fig. 5b. Por lo tanto, el VRNG se puede mantener en la cámara en muchas situaciones sin afectar la funcionalidad principal del dispositivo. Para demostrar su uso como espectrómetro, primero calibramos el espectrómetro usando un filtro de paso de banda como se describe en la Fig. 1b. El filtro de calibración se colocó frente al vidrio y se iluminó con una lámpara halógena de 10 W como se muestra en la Fig. 1a. La rejilla provocó que apareciera un espectro difractado en la cuadrícula de píxeles de la cámara. Los mejores resultados se obtuvieron utilizando el segundo orden de difracción. A lo largo de este patrón de colores distribuido espacialmente, solo se utilizaron para muestrear el espectro los píxeles rojos, verdes o azules (RGB) que producían las señales máximas. Por tanto, el espectro se dividió en 3 bandas: roja, verde y azul. Esta estrategia se utilizó para contrarrestar la posible interferencia entre órdenes de difracción como el segundo (usado) y el tercer orden (parásito). La banda de detección y el aislamiento se muestran en material complementario.

(a) VRNG inscrito en vidrio templado y colocado frente a la cámara del teléfono inteligente. (b) La rejilla no afecta la calidad de la imagen a la luz del día tomada con la cámara si no hay fuentes brillantes presentes, pero los espectros de difracción sí aparecen si se acerca una luz brillante o en un ambiente con poca luz. En (c), mostramos el espectro de segundo orden de difracción registrado por la cámara generada por el VRNG de la lámpara halógena y con el filtro de calibración frente a ella (d). Cada espectro registrado se promedia sobre una línea de 3 píxeles para reducir el ruido.

Se puede observar la coincidencia entre los espectros registrados y el esquema de detección de fragmentación RGB presentado en las figuras 5c yd para la lámpara halógena y los filtros de calibración. Los bordes a la mitad del máximo de cada banda producidos por los filtros de calibración se usaron para establecer 6 puntos de longitud de onda para la calibración. Luego se utilizó un ajuste polinómico de segundo orden para encontrar la función de calibración como se muestra en la ecuación. (4).

donde m es el número de píxeles. A pesar del comportamiento sinusoidal teórico de la difracción, se encontró que la función de calibración era casi lineal con una resolución del detector de 0,4 nm/píxel. Esta dispersión lineal proviene del uso del VRNG en el régimen de aproximación de ángulos pequeños. La resolución óptica del detector se midió utilizando una línea láser de helio neón centrada en 632,8 nm y se encontró que cubría 9 píxeles que representan 3 nm en todo su ancho a la mitad del máximo. El uso de un paso de escritura más fino aumentaría la dispersión de la rejilla y, por tanto, la resolución del espectrómetro. Sin embargo, un tono fino, si se puede resolver mediante la escritura, genera un ángulo de difracción más alto que puede dar como resultado que la imagen del espectro quede fuera del campo de visión de la cámara. La rejilla de paso de 3 µm utilizada produce un espectro completo de segundo orden que se extiende hasta el 90 % del campo de visión de la cámara. Se midió que la eficiencia de potencia de difracción en el segundo orden era del 0,3% de la luz incidente a 632,8 nm. El factor de forma de la rejilla es muy adecuado para utilizar el esquema de escritura de máscara de fase, que tiene la ventaja no sólo de aumentar la resolución sino, lo más importante, de reducir drásticamente el tiempo de producción para permitir la producción en masa.

Como prueba de concepto utilizando este espectrómetro calibrado, el espectro de absorción producido por diferentes concentraciones de rodamina 6G en agua colocada en la cámara de carga presentada en la Fig. 1a se muestra en la Fig. 6a. La concentración inicial se tomó a 1 g/L.

(a) Datos brutos del espectro de absorción producidos por diferentes concentraciones de rodamina 6G en agua. El espectro registrado de cada concentración se muestra en el recuadro. Los datos sin procesar se muestran para mostrar el rendimiento y las limitaciones del dispositivo físico. (b) La intensidad en λ = 522 nm para todas las concentraciones utilizadas normalizadas al espectro del agua. La variación de la señal a 500 nm proviene de diferentes parámetros de ganancia entre las bandas RGB, lo cual se realiza internamente en el firmware de la cámara.

Los espectros presentados en la Fig. 6a son el resultado promedio de 3 líneas de píxeles para reducir el ruido. El ruido restante se cuantificó procesando 10 imágenes del espectro del agua y se determinó que era ± 0,02 unidades a 2σ (intervalo de confianza del 95%) como se muestra en la barra de error de los datos del punto de agua en la Fig. 6b. Los límites superiores del error de concentración introducido por ese ruido pueden evaluarse mediante interpolación lineal de la variación más baja del perfil curvo en la Fig. 6b que ocurre cerca de los límites de detección de concentración alrededor de 0,001 g/L. Al hacerlo, se encuentra que el error es de 0,4 mg/L. Se puede observar en la Fig. 6a que el espectro de 0,1 mg/L se superpone con el espectro del agua, pero se observa una pequeña diferencia para el espectro de 0,5 mg/L. El pico de absorción se encuentra cerca de λ = 522 nm, que corresponde a los picos esperados de rodamina 6G en agua, que se desplaza ligeramente de 530 nm en etanol27 como se informa en28. Por lo tanto, el límite de detección de rodamina 6G se encuentra en 0,5 ± 0,4 mg/L para una cámara de carga de 5 mm de espesor. Un mejor control sobre los parámetros de adquisición de las cámaras podría ofrecer la oportunidad de ampliar los límites de detección, estandarizar el espectro en los detectores RGB y linealizar la detección.

En este estudio se utilizó rodamina 6G ya que es un tinte bien conocido con una fuerte banda de absorción en el visible. No todos los analitos de interés tienen un coeficiente de absorción tan alto, lo que conduce a límites de detección más altos. Esto podría ser problemático para ciertas aplicaciones como la evaluación de la contaminación del agua donde las concentraciones son del orden de mg/L. Para mitigar esta diferencia de eficiencia, se puede aumentar el espesor de la cámara de carga, lo que tendrá un impacto exponencial en los límites de detección. Sin embargo, los sistemas de detección indirecta también podrían evaluarse midiendo el impacto sobre un absorbente eficiente, como la rodamina, producido por la presencia de un analito. De este modo, se demostró que un sensor colorimétrico selectivo de Cu2+ es capaz de detectar concentraciones en el orden de los μg utilizando derivado de rodamina29, así como plomo30,31 y cadmio30, allanando el camino hacia un espectrómetro de campo útil.

La demostración de un espectrómetro integrado basado en la inscripción de un pequeño VRNG débil frente a la cámara de un teléfono inteligente se realizó utilizando una capa protectora removible de vidrio templado de aluminosilicato. Estos VRNG también se demostraron en vidrio Corning Gorilla, lo que abre la posibilidad de integración del espectrómetro directamente en la capa de vidrio del teléfono inteligente (sin dispositivo extraíble). En un esfuerzo por producir un cambio de RI óptimo mediante escritura fs para VRNG, se caracterizó un nuevo régimen de escritura sin acumulación térmica. Los umbrales superiores de acumulación térmica para ambos vidrios se midieron a una velocidad de repetición de 150 kHz y 101 kHz para el vidrio Corning Gorilla y el vidrio templado de aluminosilicato, respectivamente. Por debajo de tales frecuencias, se observó una transición de un cambio de RI negativo (baja fluencia) a positivo (alta fluencia). La fluencia necesaria para alcanzar un régimen de cambio de índice positivo es de 8,7 × 106 J/m2 y 1,4 × 107 J/m2 para cada uno de los vidrios respectivos. Esos regímenes se investigaron para la producción de VRNG, donde se prefiere un alto cambio de fase en una región estrecha. Dicha optimización demostró que es preferible una fluencia baja y una energía de pulso alta, junto con una estrategia de pases múltiples. Se incorporaron VRNG débiles con un cambio de fase de 0,2 a 0,4 rad frente a la cámara de un teléfono inteligente. Se demostró que dicha integración no perturba la función principal de la cámara en funcionamiento con alta luminosidad si no hay fuentes brillantes presentes. La cámara RGB se utilizó como espectrómetro de bandas de 3 ondas con una resolución óptica de 3 nm y una resolución del detector de 0,4 nm/píxel. El límite de detección del espectrómetro se midió utilizando diversas concentraciones de rodamina 6G en agua y se encontró que era de 0,5 mg/L ± 0,4 mg/L. Por lo tanto, podemos concluir que las estructuras inscritas en fs se pueden integrar, de forma permanente o removible, en el teléfono inteligente para incorporar una funcionalidad de espectrómetro que puede usarse para detectar y cuantificar la presencia de analitos. Podría ser interesante evaluar el equilibrio entre el uso de una rejilla de segundo y primer orden, ya que esta última podría ser teóricamente más eficiente dependiendo de la superposición entre las líneas de escritura. Esta demostración allana el camino para la espectroscopia de absorción en teléfonos inteligentes y una mayor integración de la fotónica.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Descargar referencias

Los autores agradecen el apoyo del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.

Departamento de Ingeniería Física, Ecole Polytechnique Montréal, 2900 Édouard-Montpetit, Montreal, QC, H3T 1J4, Canadá

Jean-Sébastien Boisvert y Raman Kashyap

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Poly-Grames, Ecole Polytechnique Montréal, 2900 Édouard-Montpetit, Montreal, QC, H3T 1J4, Canadá

Sébastien Loranger y Raman Kashyap

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JS.B. realizó y analizó las escrituras láser fs, identificó los regímenes de inscripción, llevó a cabo la calibración y el procesamiento de datos de la cámara RGB y redactó el manuscrito. SB ayudó con el análisis y la interpretación de los datos de la cámara RGB. RK es responsable de la financiación y la supervisión. Todos los autores participaron en la revisión del manuscrito.

Correspondencia a Jean-Sébastien Boisvert.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses. RK también está asociado con PhotoNova Inc., que prestó el Ripper para las mediciones de cambio de RI inducido que se presentan en este artículo.

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Reimpresiones y permisos

Boisvert, JS., Loranger, S. & Kashyap, R. Fs volumen escrito con láser Rejilla Raman-Nath para espectrómetro integrado en un teléfono inteligente. Informe científico 13, 13717 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40909-9

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Recibido: 24 de abril de 2023

Aceptado: 18 de agosto de 2023

Publicado: 22 de agosto de 2023

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

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