Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een geavanceerde analytische techniek gebruikt die bekend staat als dual-comb spectroscopie om snel extreem gedetailleerde hyperspectrale beelden te verkrijgen. Door een volledig spectrum aan informatie te verkrijgen voor elke pixel in een scène met een hoge gevoeligheid en snelheid, de nieuwe aanpak zou een grote vooruitgang kunnen betekenen voor een breed scala aan wetenschappelijke en industriële toepassingen, zoals chemische analyse en biomedische detectie.

"Dubbelkamspectroscopie heeft een revolutie teweeggebracht in optische spectroscopie door een ongeëvenaarde spectrale resolutie en nauwkeurigheid te bieden, evenals korte acquisitietijden zonder bewegende delen, " zei onderzoeksteamleider Pedro Martín-Mateos van Universidad Carlos III de Madrid, in Spanje. "Onze nieuwe directe hyperspectrale dual-comb imaging-aanpak zal het mogelijk maken om de meeste puntdetectiemogelijkheden van de huidige dual-comb-systemen uit te breiden om een ​​spectraal beeld van een hele scène te creëren."

Dual-kam spectroscopie maakt gebruik van twee optische bronnen, bekend als optische frequentiekammen, die een spectrum van kleuren uitzenden - of frequenties - die perfect uit elkaar liggen zoals de tanden op een kam. Zoals gemeld in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, dit is de eerste keer dat een dual-kam spectrum direct is gedetecteerd met behulp van een videocamera.

"We demonstreren spectrale ondervraging van een 2D-object in slechts één seconde, meer dan drie ordes van grootte sneller dan eerdere demonstraties, "zei Martín-Mateos. "Deze snelle acquisitietijd maakt dual-comb hyperspectrale beeldvorming van snelle of dynamische processen mogelijk, wat voorheen niet mogelijk was."

Hoewel het werk werd uitgevoerd met behulp van nabij-infrarode golflengten, de onderzoekers zeggen dat het concept gemakkelijk kan worden overgedragen naar verschillende spectrale regio's, uitbreiding van het aantal mogelijke toepassingen.

Vooral, uitbreiding van de benadering van de spectrale gebieden van terahertz en millimetergolf zou veel nieuwe mogelijkheden bieden voor niet-destructieve tests en productinspectie in het voedsel, landbouw- en farmaceutische industrie. In het midden-infrarood en het nabij-infraroodgebied zou het ook de prestaties van chemische beeldvorming kunnen verbeteren, 3D-mapping en oppervlaktetopografietechnologieën.

Detectie van videosnelheid

Spectrometers met twee kammen werken door interferentie van licht van twee nauw op elkaar afgestemde optische frequentiekammen. Dit mengproces genereert een signaal dat bekend staat als een interferogram met snelheden die typisch in de tientallen megahertz liggen (miljoen keer per seconde), te snel om vast te leggen met zelfs de snelste high-speed videocamera's.

"We hebben de interferogrammen die door ons systeem worden gegenereerd tot een seconde uitgerekt om het mogelijk te maken om het dual-kam interferentiesignaal te detecteren met behulp van een videocamera, " legde Martín-Mateos uit. "Dit maakt de spectrale analyse van een hele scène mogelijk, in plaats van slechts een punt."

Om dit te doen, bouwden de onderzoekers een systeem op basis van een zeer eenvoudige elektro-optische dual-kam bron die grotendeels is gemaakt van optische vezelcomponenten. Door het gebruik van twee akoesto-optische modulatoren kunnen ze de optische kammen compenseren met een willekeurig lage frequentie, om ultra-trage interferogrammen te maken.

Met de nieuwe methode maakten de onderzoekers hyperspectrale beelden van ammoniakgas dat uit een fles ontsnapt. Ze bereikten een optische resolutie van 1 GHz (0,0033 cm-1) bij videosnelheden van 25 frames per seconde, met elk frame met 327, 680 individuele spectrale metingen. Volgens de onderzoekers is de resolutie die ze hebben bereikt, maakt een eenvoudig onderscheid tussen verschillende gassen mogelijk en is 100 keer beter dan de huidige commerciële apparatuur.

“Dit stelt ons in staat, bijvoorbeeld, om gemakkelijk verschillende gassen te identificeren en te onderscheiden. De resolutie die in deze eerste experimentele demonstratie werd gedemonstreerd, is twee ordes van grootte beter dan die van de huidige commerciële apparatuur.

"Eenvoud is een van de belangrijkste troeven van het systeem, " zei Martín-Mateos. "Het werkte feilloos en kon in elk optisch laboratorium worden geïmplementeerd."

Het werk maakt deel uit van een groter project dat wordt gefinancierd door het ATTRACT-initiatief (Horizon 2020), dat tot doel heeft een snel hyperspectraal beeldvormingssysteem te ontwikkelen dat het terahertz-gebied van het elektromagnetische spectrum gebruikt voor inspectie, kwaliteitscontrole en classificatie van landbouw- en voedingsproducten. De onderzoekers werken nu aan de ontwikkeling van een terahertz dual-kam bron om de methode in dit spectrale gebied te demonstreren.