Spectroscopie is de studie van de interactie tussen licht en materie, biedt tal van belangrijke toepassingen op gebieden variërend van materiaalwetenschap tot astronomie. Een gemeenschappelijk doel van spectroscopie is een verbeterde spectroscopische resolutie om meer gedetailleerde informatie over dynamische processen te verschaffen. Meerkanaalsspectrometers worden veel gebruikt in spectroscopie omdat ze compact zijn, sterk, en maak high-speed beelden. Echter, de resolutie van meerkanaals spectrometers is beperkt. Verbetering van deze resolutie wordt momenteel beperkt door het onvermogen om de ingangsspleetbreedte kleiner te maken dan de pixelgrootte; bekend als de 'pixel Nyquist-limiet'.

Onderzoekers van de Universiteit van Osaka hebben onlangs een manier ontwikkeld om de resolutie van meerkanaalsspectrometers te verhogen tot voorbij de pixel-Nyquist-limiet met behulp van Moiré-patronen. Een Moiré-patroon is een interferentiepatroon dat is gemaakt tussen twee vergelijkbare overlappende patronen met een iets verschillende toonhoogte, verplaatsing, of rotatie.

"We hebben het Moiré-effect gebruikt om de spectrale resolutie in een meerkanaals spectrometer te verbeteren, " zegt Tsuyoshi Konishi, hoofdauteur van het onlangs gepubliceerde rapport over de studie. "Hierdoor konden we voor het eerst een resolutie bereiken die de Nyquist-limiet voor pixels overschrijdt in een meerkanaals spectrometer."

Het team creëerde het Moiré-effect in een commerciële meerkanaals spectrometer met behulp van een paar spleet-arrays met perioden van 100 en 180 m bij de ingang en uitgang van de spectrometer. De overlap van de patronen van het paar spleet-arrays creëerde een Moiré-rand. De beeldsensor van de spectrometer had een pixel Nyquist-limiet van 50 nm, dus de resolutie moest kleiner zijn dan deze waarde. De Moiré-rand gegenereerd door de gemodificeerde spectrometer was in staat om een ​​golflengteverandering van slechts 0,31 nm op te lossen, het overwinnen van de pixel Nyquist-limiet. Dit betekent dat de spectrale resolutie van de spectrometer met een factor meer dan tien is verbeterd ten opzichte van de oorspronkelijke resolutie van 4,63 nm.

De aanpak werd getest met zowel een lichtbron met één golflengte als een polychromatische lichtbron bestaande uit twee laserstralen met verschillende golflengten. In beide gevallen, de gegenereerde Moiré-rand zorgde voor een resolutie die de Nyquist-limiet voor pixels overschreed. belangrijk, de ontwikkelde aanpak is eenvoudig en kan worden aangepast aan verschillende situaties.

"Het overwinnen van de pixel Nyquist-limiet van een meerkanaals spectrometer met behulp van de Moiré-rand die wordt gegenereerd door een paar op de juiste manier gepositioneerde spleetarrays, zou superresolutie-beeldvorming van dynamische processen moeten vergemakkelijken, " legt Konishi uit. "We voorzien dat meerkanaals spectrometers met variabele spectrale resolutie zullen worden ontwikkeld op basis van dit concept."

Dit onderzoek is een belangrijke stap in de richting van het doel van realtime monitoring met hoge resolutie van dynamische gebeurtenissen in gebieden variërend van biologie tot astronomie.