Spektrometrar är avgörande vetenskapliga instrument inom olika forskningsområden och har genomgående fungerat som oumbärliga verktyg för grundforskning. Den svårhanterliga storleken på konventionella spektrometrar innebär dock utmaningar för kostnadseffektiva och kompakta mobila plattformar.
Under de senaste åren har miniatyriseringsspektrometrar baserade på spektral spatiotemporal kodning och numeriska beräkningstekniker fått stor uppmärksamhet. Inte desto mindre stödjer komplexa dispergerardesigner tillsammans med avancerade material- och precisionstillverkningsteknologier i första hand befintliga miniatyriserade konstruktioner. Dessutom hindrar komplicerade kalibreringsproblem relaterade till spektralkodning generaliseringen av enkelhet och miniatyrisering ytterligare.
I ett nyligen genomfört genombrott har professor Shiyuan Liu och hans grupp vid Huazhong University of Science and Technology införlivat den grundläggande optiska principen om "koherent lägesupplösning av bredbandsdiffraktion" i sin utforskning av spektrala mättekniker. Deras arbete har lett till utvecklingen av en exceptionellt strömlinjeformad, diffraktionsbaserad beräkningsspektrometer.
Forskningsresultaten, med titeln "Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer," har publicerats i Light:Science &Applications och fick ett erkännande som omslagspapper.
"Vi presenterar en ny och enkel spektrometerdesign baserad på en-till-bredbandsdiffraktionskartläggning för spektralkodning. Vårt innovativa tillvägagångssätt inkluderar ett godtyckligt format pinhole som en diffraktionsbaserad partiell dispergerare, placerad framför detektorn. Detta eliminerar behovet för intrikat förkodningsdesign, vilket gör spektrometern ultraförenklad och mycket kostnadseffektiv, med en kärnspridningsenhet som kostar nästan en dollar", säger forskarna.
"Med bara en enda fångst av bredbandsdiffraktionsbilden kan vi noggrant bestämma spektrumet för det infallande ljusets spektrum. Denna prestation är möjlig genom koherent lägesuppdelning av den infångade bredbandsbilden. Vi har särskilt introducerat en innovativ kartläggningsmetod baserad på spektrumbaserad punktspridningsfunktion härledd från en enda infångning av en monokromatisk diffraktionsbild. Denna mappning möjliggör generering av en komplett spektralsvarsfunktion i spektral spatiotemporal kodning, vilket eliminerar behovet av förkodningsdesign, intrikat högprecisionstillverkning eller kalibrering av. den fullständiga spektrala responsfunktionen", tillägger de.
"Vår utvecklade spektrometer har visat en rekonstruerad spektral topppositionsnoggrannhet bättre än 1 nm över en bandbredd på 200 nm och en spektral toppupplösning på 3 nm, inom ett kompakt fotavtryck under en halv tum. Detta representerar den första demonstrationen av en spektrometerdesign som integrerar en ultraförenklad och godtyckligt formad diffraktionsstruktur", förklarar de.
"Vår design möjliggör single-shot spektrummätningar över ett brett våglängdsområde, från ultraviolett till infrarött, med miniatyriserad lab-on-chip integration. Detta framsteg är avgörande för portabla applikationer och erbjuder hög robusthet, låg kostnad och långsiktig stabilitet. "
Mer information: Chuangchuang Chen et al, Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01355-4
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
