Нет необходимости в вытекающем режиме на уровне пикометра

Световой издательский центр, Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики, CAS

изображение: Спектрометр делает только один снимок для получения спектральной информации с разрешением пикометра и работает в диапазоне 0,3-1 мкм.посмотреть больше

Авторы и права: Цинцин Цен, Сидзе Пянь, Синьхан Лю, Ювэй Тан, Синьин Хэ, Яогуан Ма

Точность получения обширной информации о взаимодействии света и материи с помощью моментальных измерений делает оптическую спектроскопию незаменимой для современной промышленности и научных исследований. Миниатюризация традиционно громоздких спектрометров была сильно мотивирована обширными приложениями, включая био/медицинское зондирование, анализ материалов, оптическую связь и определение характеристик источников света.

Исследователи уже довольно давно разрабатывают спектрометры с целью снижения стоимости, большей гибкости, меньшего размера, лучшей стабильности и производительности. Однако неотъемлемый компромисс между вышеупомянутыми аспектами сдерживает развитие этой долгосрочной темы миниатюризации. Как правило, спектрометры с дисперсионными элементами требуют дополнительного пространственного разделения и, как правило, занимают большую площадь.

Конструкции на основе фильтров (включая узкополосные и реконструктивные типы) страдают от потерь мощности, вызванных либо поглощением, либо отражением, а также ограниченным разрешением и полосой пропускания из-за ограниченного количества каналов. Спектрометры, встроенные в кристалл, основаны на нанотехнологиях и, как правило, имеют очень низкую эффективность связи для широкополосной работы.

Прежде всего, по-прежнему не удается создать гибкий и недорогой крошечный спектрометр со стабильно высокими характеристиками.

В новой статье, опубликованной в eLight, группа ученых под руководством профессора Яогуана Ма из Университета Чжэцзян разработала компактный спектрометр, который объединяет несколько конических наконечников для получения гиперспектральных изображений.

Спектрометр использует сложные моды утечки, проецируемые из изогнутого конического кончика из микроволокна, который однозначно определяет длину волны входного сигнала. Благодаря прочной упаковке с дополнительным датчиком изображения металл-оксид-полупроводник (КМОП) сбор данных нашего спектрометра может быть завершен с использованием одного снимка без необходимости внешнего оборудования.

Для анализа сложных кадров, записанных CMOS-датчиком изображения (CIS), использовалась сеть легкого преобразователя изображения (ViT). Корреляцию между спектральной информацией и изображениями в режиме утечки можно легко построить после обучения. Кроме того, это крошечное высокопроизводительное устройство изготовлено из недорогих элементов (основные компоненты спектрометра стоят менее 15 долларов США). Его можно использовать в течение длительных интервалов времени, сохраняя при этом точность и надежность.

Многомодовые помехи могут генерировать случайные спеклы, связанные со спектральной информацией. Однако большинство конструкций спектрометров на его основе основаны на случайных средах, таких как шероховатые поверхности, многомодовое волокно, интегрирующие сферы или фотонные кристаллы. Для завершения измерения обычно требуется дополнительное громоздкое или дорогое оборудование, такое как высокопроизводительная камера или даже микроскоп.

С другой стороны, микроволокна являются идеальными инструментами для управления световыми полями благодаря их регулируемой дисперсии и небольшой занимаемой площади. В экспериментах обычно используются микроволокна для удержания света внутри волокна и его распространения как можно дольше. Если конус микроволокна вытягивается в неадиабатических условиях, связь между различными модами, вызванная геометрией волокна, приведет к возникновению мод утечки, которые обычно нежелательны для применений из микроволокна.

Тем не менее, исследователям из Чжэцзянского университета удалось использовать режим вытекания, изучая индуцированные случайные спеклы, чтобы восстановить скрытую спектральную информацию, а также разработать условия вытягивания конуса, чтобы максимизировать генерацию вытекающих мод в пределах области конуса 1 мм. Спектрометр может работать в диапазоне 0,3-1 мм. Разрешение ~1,5 мкм может быть достигнуто с помощью моментального измерения.

Продемонстрированный недорогой масштабируемый спектрометр также может быть реализован в масштабе одного чипа CIS для демонстрации гиперспектральных изображений. Высокое согласие между данными предлагаемого микроконусного гиперспектрального формирователя изображения и данными обычного спектрометра показывает большой потенциал для их разработки.