Auf Pikometerebene ist kein Leaky-Modus erforderlich

Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: Das Spektrometer macht nur einen einzigen Schnappschuss, um die spektrale Information mit einer Pikometerauflösung zu erhalten und arbeitet im Bereich von 0,3–1 μm.mehr sehen

Bildnachweis: von Qingqing Cen, Sijie Pian, Xinhang Liu, Yuwei Tang, Xinying He, Yaoguang Ma

Die Präzision, mit einer Schnappschussmessung zahlreiche Informationen über Licht-Materie-Wechselwirkungen zu erhalten, macht die optische Spektroskopie für moderne Industrien und wissenschaftliche Forschung unverzichtbar. Die Miniaturisierung traditionell sperriger Spektrometer wurde stark durch die vielfältigen Anwendungen motiviert, darunter bio-/medizinische Sensorik, Materialanalyse, optische Kommunikation und Lichtquellencharakterisierung.

Seit geraumer Zeit entwickeln Forscher Spektrometer im Hinblick auf geringere Kosten, höhere Flexibilität, kleinere Größe, bessere Stabilität und Leistung. Ein inhärenter Kompromiss zwischen den oben genannten Aspekten hindert dieses langfristige Thema der Miniaturisierung jedoch daran, voranzukommen. Im Allgemeinen erfordern Spektrometer mit dispersiven Elementen zusätzliche räumliche Trennungen und neigen dazu, eine große Stellfläche zu hinterlassen.

Auf Filtern (einschließlich Schmalband- und Rekonstruktionstypen) basierende Designs leiden unter Leistungsverlusten, die entweder durch Absorption oder Reflexion verursacht werden, sowie unter begrenzter Auflösung und Bandbreite aufgrund begrenzter Kanalzahlen. On-Chip-Spektrometer basieren auf der Nanofabrikation und weisen für den Breitbandbetrieb tendenziell eine sehr geringe Kopplungseffizienz auf.

Vor allem ein flexibles und kostengünstiges Kleinspektrometer mit stabiler Höchstleistung ist noch nicht erhältlich.

In einem neuen, in eLight veröffentlichten Artikel hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Yaoguang Ma von der Zhejiang-Universität ein kompaktes Spektrometer entwickelt, das mehrere konische Spitzen für die hyperspektrale Bildgebung integriert.

Das Spektrometer nutzt komplexe Leaky-Mode-Speckles, die von einer gebogenen konischen Spitze aus Mikrofaser projiziert werden und die Wellenlänge des Eingangssignals eindeutig bestimmen. Durch die solide Verpackung mit einem CMOS-Bildsensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) kann die Datenerfassung unseres Spektrometers mit einem einzigen Schnappschuss abgeschlossen werden, ohne dass externe Geräte erforderlich sind.

Zur Analyse der vom CMOS-Bildsensor (CIS) aufgezeichneten komplexen Bilder wurde ein Lightweight Vision Transformer (ViT)-Netzwerk verwendet. Die Korrelation zwischen den Spektralinformationen und Leaky-Mode-Bildern kann nach dem Training leicht konstruiert werden. Darüber hinaus wird dieses winzige Hochleistungsgerät aus kostengünstigen Elementen hergestellt (die Kernkomponenten des Spektrometers kosten weniger als 15 US-Dollar). Es kann über lange Zeiträume hinweg verwendet werden, wobei Genauigkeit und Zuverlässigkeit erhalten bleiben.

Multimode-Interferenzen könnten zufällige Flecken erzeugen, die mit Spektreninformationen verknüpft sind. Die meisten darauf basierenden Spektrometerdesigns basieren jedoch auf Zufallsmedien wie rauen Oberflächen, Multimode-Fasern, Ulbrichtkugeln oder photonischen Kristallen. Diese erfordern in der Regel zusätzliche sperrige oder teure Geräte, wie zum Beispiel eine Hochleistungskamera oder sogar ein Mikroskop, um die Messung durchzuführen.

Andererseits sind Mikrofasern aufgrund ihrer maßgeschneiderten Streuung und ihres geringen Platzbedarfs ideale Werkzeuge zur Manipulation von Lichtfeldern. Bei Experimenten werden normalerweise Mikrofasern verwendet, um das Licht so lange wie möglich in der Faser zu halten. Wenn ein Mikrofaserkegel unter nichtadiabatischen Bedingungen gezogen wird, führt die durch die Fasergeometrie induzierte Kopplung zwischen verschiedenen Moden zu Leckmoden, die für Mikrofaseranwendungen typischerweise unerwünscht sind.

Forschern der Universität Zhejiang gelang es jedoch, den Leaky-Modus zu nutzen, indem sie die induzierten zufälligen Flecken untersuchten, um die verborgenen Spektralinformationen wiederherzustellen, und gleichzeitig die Ziehbedingungen der Verjüngung so zu gestalten, dass die Erzeugung der Leaky-Moden innerhalb eines 1-mm-Verjüngungsbereichs maximiert wurde. Das Spektrometer kann im Bereich von 0,3–1 mm betrieben werden. Mit einer Snapshot-Messung kann eine Auflösung von ~1,5 µm erreicht werden.

Das demonstrierte kostengünstige, skalierbare Spektrometer kann auch maßstabsgetreu auf einem CIS-Chip implementiert werden, um hyperspektrale Bildgebung zu demonstrieren. Die hohe Übereinstimmung zwischen den Daten des vorgeschlagenen Mikrotaper-Hyperspektral-Imagers und den Daten des herkömmlichen Spektrometers zeigt großes Potenzial für deren Design.

eLight

10.1186/s43593-023-00041-7

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