Revolutionerende spektrometri med ultra-enkelhed:Forstyrrelse af konventionelle designs gennem ny diffraktionsberegning

Spektrometre er afgørende videnskabelige instrumenter inden for forskellige forskningsfelter og har konsekvent fungeret som uundværlige redskaber til grundlæggende forskning. Den uhåndterlige størrelse af konventionelle spektrometre udgør imidlertid udfordringer for omkostningseffektive og kompakte mobile platforme.

I de senere år har miniaturiseringsspektrometre baseret på spektral spatiotemporal kodning og numeriske beregningsteknikker fået stor opmærksomhed. Ikke desto mindre understøtter komplekse disperser-design sammen med avancerede materiale- og præcisionsfremstillingsteknologier primært eksisterende miniaturiserede designs. Desuden hæmmer indviklede kalibreringsproblemer relateret til spektral kodning yderligere generaliseringen af ​​enkelhed og miniaturisering.

I et nyligt gennembrud har prof. Shiyuan Liu og hans gruppe ved Huazhong University of Science and Technology inkorporeret det grundlæggende optiske princip om "kohærent mode dekomponering af bredbåndsdiffraktion" i deres udforskning af spektrale måleteknikker. Deres arbejde har ført til udviklingen af ​​et usædvanligt strømlinet, diffraktionsbaseret beregningsspektrometer.

Forskningsresultaterne, med titlen "Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer," er blevet offentliggjort i Light:Science &Applications og opnået anerkendelse som omslagspapir.

"Vi præsenterer et nyt og ligetil spektrometerdesign baseret på en-til-bredbåndsdiffraktionskortlægning til spektral kodning. Vores innovative tilgang inkorporerer et vilkårligt formet nålehul som en diffraktionsbaseret partiel disperger, placeret foran detektoren. Dette eliminerer behovet. til indviklede præ-kodningsdesigns, hvilket gør spektrometeret ultra-forenklet og yderst omkostningseffektivt med en kernedisperser-enhed til en pris på næsten én dollar," siger forskerne.

"Med blot en enkelt optagelse af bredbåndsdiffraktionsbilledet kan vi nøjagtigt bestemme spektret af det indfaldende lyss spektrum. Denne præstation er muliggjort gennem kohærent mode-nedbrydning af det opfangede bredbåndsbillede. Vi har især introduceret en innovativ kortlægningsmetode baseret på spektrum-baseret punktspredningsfunktion afledt af en enkelt optagelse af et monokromatisk diffraktionsbillede. Denne kortlægning muliggør generering af en komplet spektral responsfunktion i spektral spatiotemporal kodning, hvilket eliminerer behovet for præ-kodningsdesign, indviklet højpræcisionsfremstilling eller kalibrering af. den fulde spektrale responsfunktion," tilføjer de.

"Vores udviklede spektrometer har demonstreret en rekonstrueret spektral peak lokaliseringsnøjagtighed bedre end 1 nm over en båndbredde på 200 nm og en spektral peak opløsning på 3 nm inden for et kompakt fodaftryk under en halv tomme. Dette repræsenterer den første demonstration af et spektrometer design, der integrerer en ultra-forenklet og vilkårligt formet diffraktionsstruktur," forklarer de.

"Vores design muliggør enkelt-skuds spektrummålinger over et bredt bølgelængdeområde, fra ultraviolet til infrarødt, med miniaturiseret lab-on-chip integration. Denne fremgang er afgørende for bærbare applikationer, der tilbyder høj robusthed, lave omkostninger og langsigtet stabilitet. "

Flere oplysninger: Chuangchuang Chen et al., Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01355-4

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Chinese Academy of Sciences