Miniaturized spectrometers

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-05-26

Department

Major/Subject

Elektroniikka ja sähkötekniikka

Mcode

ELEC3013

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

28

Series

Abstract

A spectrometer is a scientific analytical instrument that studies the properties of light by measuring its wavelength or frequency. The use of spectrometers has been divided into two fields of study: spectrometry and spectroscopy. Spectroscopy is a general term for the study of the interactions of light and matter. Whereas spectrometry describes the measurement of radiation intensity using a detector. The major spectrometric methods are optical, mass and X-ray spectrometry. Optical spectrometers are the most common and the only method dis-cussed in this thesis. Optical spectrometers measure the wavelength of light by isolating specific wavelength bands using a wavelength selector. The incident light that is analyzed can be from a source of light that has interacted with a material sample. When analyzing a sample, effects such as absorption, fluorescence and Raman scattering are used. In the lat-ter, the light that has interacted with the sample has a changed wavelength that is character-istic of the sample. Traditional optical spectrometers are however large and bulky, which has confined them to laboratory use only. Many applications require spectral analysis to be completed on the spot. This is especially crucial for applications in remote and low-resource areas. Some ap-plications need a non-destructive method of analysis, thus removing and transporting the sample is not a possibility. Miniaturized spectrometers as their name indicates are scaled-down optical spectrometers that can be used in situations where laboratory equipment can-not be utilized. In this thesis various techniques that scale down the size of spectrometers are discussed. Techniques such as optical dispersive spectrometers, narrowband filter-based spectrometers, Fourier transform spectrometers and reconstructive spectrometers. Miniaturized spectrometers can be utilized in the medical, pharmaceutical, agricultural, and environmental fields as well as in security and forensics. Applications in these fields require spectral analysis that is fast, non-destructive and can be completed on the spot. There are commercially available miniaturized spectrometers which can be used for spectral analysis of light and material samples. With techniques such as reconstructive spectrometers, even smaller footprints can be achieved, which can be utilized in mobile devices, smartwatches, and Lab-on-a-chip applications. Miniaturized spectrometers have the potential to revolu-tionize research methods in various scientific fields. Additionally, they have the potential to provide the benefits of spectral analysis to everyday devices.

Spektrometri on tieteellinen mittauslaite, joka tutkii valon ominaisuuksia ja kykenee sen avulla tutkimaan niin pieniä molekyylejä kuin kaukaisten tähtien koostumuksia. Tästä teknologiasta on kehittynyt kaksi eri tieteen alaa, spektroskopiassa analysoidaan tutkittavasta kohteesta vastaanotettua säteilyä, ja spektrometria, jossa hyödynnetään valoa tunnistaakseen aineita sekä kappaleita niiden vaikutuksesta sähkömagneettiseen säteilyyn. Perinteiset spektrometrit ovat olleet keskeisiä eri aineiden ja materiaalien analysoinnissa. Useat tieteenalat ovat tutkimuksessaan kyenneet hyödyntämään spektrometrejä. Kuitenkin tällaiset perinteiset spektrometrit ovat kookkaita ja epäkäytännöllisiä, minkä takia niiden hyödyntäminen on rajattu täysin laboratoriokäyttöön. Nämä rajoitukset ovat estäneet sovellusmahdollisuuksien kehittämistä paikan päällä tutkimusta tarvitsevissa tieteenaloissa. Tämä kandidaatintyö tutkii miniatyyrisiä spektrometrejä. Työ tarkastelee perusteellisesti perinteisiä optisia spektrometrejä, miten optisia spektrometrejä voidaan pienentää ja kuinka miniatyyrisiä spektrometrejä sitten pystytään hyödyntämään sovelluksissa. Miniatyyriset spektrometrit ovat olleet jo muutaman vuoden aikana erittäin tiheästi tutkittu ala. Julkisessa käytössä on jo pienennettyjä spektrometrejä, joilla on jo mahdollisuus mobiilikäyttöön. Kuitenkin nämä uudet tutkimukset osoittavat mahdollisuuden paljon pienemmille spektrometreille, joiden miniatyyristä kokoa voisi hyödyntää sekä tutkimus- ja julkisessa käytössä. Tällaisten spektrometrien pienen koon saavuttamista on pyritty tekemään monilla eri tekniikoilla kuten valon hajottamisella -tekniikoilla, Fourier-muunnosta hyödyntämällä tai uudelleenrakentamalla käyttäen tietokoneiden prosessointitehoa. Miniatyyriset spektrometrit mahdollistavat spektrianalyysin tekemisen reaaliajassa paikasta huolimatta. Juuri tämä miniatyyristen spektrometrien liikuteltavuus on se, joka mahdollistaa monipuolisia käyttömahdollisuuksia monissa eri aloissa. Ympäristöön liittyvillä spektrometrisillä menetelmillä pystytään tutkimaan luonnossa esiintyvien materiaalien koostumuksia. Miniatyyristen spektrometrien toimintaa on myös toteutettu mobiililaitteissa. Älypuhelimien sovellusten kautta toimivia, sekä älyrannekelloja on ehdotettu sekä toteutettu. Optisten spektrometrien kokojen pienentämistä on toteutettu useilla eri strategioilla, joilla kaikilla on omat heikkoutensa ja vahvuutensa, sekä niiden kautta myös omat applikaationsa. Miniatyyrisillä spektrometreilla on mahdollisuus mullistaa useita eri tieteenaloja uusilla mittausmenetelmillä, sekä helpottaa monien eri alojen tutkimustyötä.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Liapis, Andreas

Keywords

spectrometer, optical, wavelength, spectrum, miniaturized, transportable

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406044089

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC