Wetenschap
Een revolutie teweegbrengen in spectrometrie met ultra-eenvoud:conventionele ontwerpen doorbreken door middel van nieuwe diffractiecomputers
Spectrometers zijn cruciale wetenschappelijke instrumenten op verschillende onderzoeksgebieden en hebben consequent gediend als onmisbare hulpmiddelen voor fundamenteel onderzoek. De logge omvang van conventionele spectrometers vormt echter een uitdaging voor kosteneffectieve en compacte mobiele platforms.
De afgelopen jaren heeft het miniaturiseren van spectrometers op basis van spectrale spatiotemporele codering en numerieke rekentechnieken brede aandacht gekregen. Niettemin ondersteunen complexe dispergeerontwerpen samen met geavanceerde materiaal- en precisieproductietechnologieën voornamelijk bestaande geminiaturiseerde ontwerpen. Bovendien belemmeren ingewikkelde kalibratieproblemen met betrekking tot spectrale codering de generalisatie van eenvoud en miniaturisatie verder.
Bij een recente doorbraak hebben prof. Shiyuan Liu en zijn groep aan de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie het fundamentele optische principe van "coherente modusontleding van breedbanddiffractie" opgenomen in hun verkenning van spectrale meettechnieken. Hun werk heeft geleid tot de ontwikkeling van een uitzonderlijk gestroomlijnde, op diffractie gebaseerde computationele spectrometer.
De onderzoeksresultaten, getiteld "Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer", zijn gepubliceerd in Light:Science &Applications en kreeg erkenning als omslagpapier.
"We presenteren een nieuw en eenvoudig spectrometerontwerp gebaseerd op één-naar-breedband diffractiekartering voor spectrale codering. Onze innovatieve aanpak omvat een willekeurig gevormd gaatje als een op diffractie gebaseerde gedeeltelijke verspreider, geplaatst voor de detector. Dit elimineert de noodzaak voor ingewikkelde pre-coderingsontwerpen, waardoor de spectrometer ultra-vereenvoudigd en zeer kosteneffectief is, met een kernverspreiderapparaat dat bijna een dollar kost", zeggen de wetenschappers.
"Met slechts één enkele opname van het breedbanddiffractiebeeld kunnen we nauwkeurig het spectrum van het spectrum van het invallende licht bepalen. Deze prestatie wordt mogelijk gemaakt door decompositie van het vastgelegde breedbandbeeld in coherente modus. We hebben met name een innovatieve mappingmethode geïntroduceerd op basis van op spectrum gebaseerde puntspreidingsfunctie afgeleid van een enkele opname van een monochromatisch diffractiebeeld. Deze mapping maakt het mogelijk een volledige spectrale responsfunctie te genereren in spectrale spatiotemporele codering, waardoor de noodzaak van pre-coderingsontwerp, ingewikkelde, uiterst nauwkeurige fabricage of kalibratie ervan wordt geëlimineerd. de volledige spectrale responsfunctie", voegen ze eraan toe.
"Onze ontwikkelde spectrometer heeft een gereconstrueerde nauwkeurigheid van de spectrale pieklocatie aangetoond van beter dan 1 nm over een bandbreedte van 200 nm en een spectrale piekresolutie van 3 nm, binnen een compacte voetafdruk van minder dan een halve inch. Dit vertegenwoordigt de eerste demonstratie van een spectrometerontwerp dat integreert een ultra-vereenvoudigde en willekeurig gevormde diffractiestructuur", leggen ze uit.
"Ons ontwerp maakt single-shot spectrummetingen mogelijk over een breed golflengtebereik, van ultraviolet tot infrarood, met geminiaturiseerde lab-op-chip-integratie. Deze vooruitgang is cruciaal voor draagbare toepassingen en biedt hoge robuustheid, lage kosten en stabiliteit op de lange termijn. "