För första gången, forskare har använt en avancerad analytisk teknik som kallas dubbelkamspektroskopi för att snabbt få extremt detaljerade hyperspektrala bilder. Genom att skaffa ett helt spektrum av information för varje pixel i en scen med hög känslighet och hastighet, det nya tillvägagångssättet kan avsevärt främja ett brett spektrum av vetenskapliga och industriella tillämpningar som kemisk analys och biomedicinsk avkänning.

"Dubbelkammig spektroskopi har revolutionerat optisk spektroskopi genom att tillhandahålla oöverträffad spektral upplösning och noggrannhet samt korta insamlingstider utan rörliga delar, " sa forskargruppsledaren Pedro Martín-Mateos från Universidad Carlos III de Madrid, i Spanien. "Vår nya direkt hyperspektrala dual-comb imaging-metod kommer att göra det möjligt att utöka de flesta av punktdetekteringsmöjligheterna hos nuvarande dubbelkamsystem för att skapa en spektral bild av en hel scen."

Dubbelkamspektroskopi använder två optiska källor, känd som optiska frekvenskammar, som avger ett spektrum av färger – eller frekvenser – som är perfekt åtskilda som tänderna på en kam. Som rapporterats i Optica , The Optical Societys tidskrift för forskning med hög effekt, detta är första gången som ett dubbelkammigt spektrum har detekterats direkt med hjälp av en videokamera.

"Vi demonstrerar spektral förfrågning av ett 2D-objekt på bara en sekund, mer än tre storleksordningar snabbare än tidigare demonstrationer, ", sa Martín-Mateos. "Denna snabba insamlingstid möjliggör dubbelkammig hyperspektral avbildning av snabba eller dynamiska processer, vilket inte var möjligt tidigare."

Även om arbetet utfördes med nära-infraröda våglängder, forskarna säger att konceptet enkelt kan överföras till en mängd olika spektrala regioner, utöka antalet möjliga tillämpningar.

Särskilt, att utöka tillvägagångssättet till terahertz- och millimetervågsspektralområdena skulle öppna många nya möjligheter för oförstörande testning och produktinspektion i livsmedel, jordbruks- och läkemedelsindustrin. I de mellaninfraröda och nära-infraröda områdena kan det också förbättra prestandan för kemisk avbildning, Teknik för 3D-kartläggning och yttopografi.

Videohastighetsdetektering

Dubbla kamspektrometrar fungerar genom att störa ljus från två nära matchade optiska frekvenskammar. Denna blandningsprocess genererar en signal som kallas ett interferogram med hastigheter som vanligtvis är tiotals megahertz (miljoner gånger per sekund), för snabb för att fånga med även de snabbaste höghastighetsvideokamerorna.

"Vi sträckte ut interferogrammen som genererades av vårt system upp till en sekund för att göra det möjligt att upptäcka dubbelkamstörningssignalen med en videokamera, " förklarade Martín-Mateos. "Detta tillåter spektral analys av en hel scen, istället för bara en poäng."

För att göra detta byggde forskarna ett system baserat på en mycket enkel elektrooptisk dubbelkamkälla som mestadels består av optiska fiberkomponenter. Användningen av två akusto-optiska modulatorer låter dem kompensera de optiska kammarna med en godtyckligt låg frekvens, för att skapa ultralångsamma interferogram.

Forskarna använde den nya metoden för att få hyperspektrala bilder av ammoniakgas som flyr ut från en flaska. De uppnådde en optisk upplösning på 1 GHz (0,0033 cm-1) vid videohastigheter på 25 bilder per sekund, med varje ram innehåller 327, 680 individuella spektralmätningar. Enligt forskarna, upplösningen de uppnådde gör det lätt att skilja mellan olika gaser och är 100 gånger bättre än nuvarande kommersiell utrustning.

"Detta gör det möjligt för oss, till exempel, för att enkelt identifiera och skilja mellan olika gaser. Upplösningen som visas i denna första experimentella demonstration är två storleksordningar bättre än den för nuvarande kommersiell utrustning.

"Enkelhet är en av systemets främsta styrkor, ", sa Martín-Mateos. "Det fungerade felfritt och kunde implementeras i vilket optiklaboratorium som helst."

Arbetet är en del av ett större projekt finansierat av ATTRACT-initiativet (Horizon 2020), som syftar till att utveckla ett snabbt hyperspektralt bildsystem som använder terahertzområdet i det elektromagnetiska spektrumet för inspektion, kvalitetskontroll och klassificering av jordbruks- och livsmedelsprodukter. Forskarna arbetar nu med att utveckla en terahertz dual-comb källa för att demonstrera metoden i denna spektrala region.