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指尖上的超构透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪

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据麦姆斯咨询报导,近来,澳门大学运用物理及资料工程研讨院刘宏超等研讨人员在Light: Science & Appl。ic。ations期刊宣布了以“Metalens and microtaper s

据麦姆斯咨询报导,指尖锥光近来,超构澳门大学运用物理及资料工程研讨院刘宏超等研讨人员在Light: Science & Appl。透镜ic。光谱光纤ations期刊宣布了以“Metalens and microtaper spectrome。仪和te。微纳rs。谱仪on a fingertip”为主题的指尖锥光评述文章。

跟着片上集成光子学技能的超构开展,研讨人员正在寻求制作易于集成到各种设备和体系中的透镜紧凑型便携式光谱仪的办法。这些微型光谱仪有望对光与物质相互作用进行。光谱光纤高精度。仪和的微纳丈量,然后能够辨认不同资料的谱仪化学成分、。指尖锥光检测。环境中的污染物,并实时确诊医疗情况。这促进了光谱仪各类新式运用的开展,从医疗保健与生物技能范畴(例如可穿戴医疗器械)到。环境监测。与农业范畴(例如手持式环境。勘探器。)。尽管光谱仪的微型化依然面临着许多应战,但近年来纳米制作技能和资料科学的前进使得制作出功能强大、经济、紧凑型的光谱仪成为可能,这些光谱仪能够供给高质量的光谱勘探才能。跟着对微型光谱仪需求的不断增加,研讨人员正在不断拓宽其功能极限,以期为。光学。和光子学范畴带来令人激动的立异。

超构外表(Metasu。rf。ac。es)和微纤维凭仗其超紧凑的特性,在各类光学运用中展示出巨大潜力。作为一种典型的超构外表,超构透镜(metalens)能够自在操作光的色散,并准确操控光的途径,使其成为成像和光。通讯。范畴的抱负挑选。一起,微纤维能够以最小的失真传输和反射光,使其成为光谱丈量的有用东西。近期宣布在Light: Science & Applications和eLight期刊上的两篇论文中,来自英国赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)和我国浙江大学的两支研讨团队别离提出了运用多焦点超构透镜以及漏模微纳光纤锥来获取高分辨率的光谱信息。

在“Compact multi-foci metens spectrometer”论文中,英国赫瑞瓦特大学陈献忠教授团队提出了一种能够聚集多波长光的多焦点超构透镜,如图1左边所示。多焦点超构透镜一般具有小平面结构,能够将不同色彩的光一起聚集到多个焦点上,然后完结单镜头光谱勘探和成像。尽管已有研讨人员提出了子区域规划和折叠超构透镜来完结多波长色散操控,但每个波长规划的像素有限,往往导致光束聚集质量差或不同焦距下的多个焦点。该研讨创造性地展示了在同一焦平面上具有多个离轴焦点的紧凑型超构透镜,其光斑巨细和最大强度简直相同,然后完美有用地处理了这一问题。依据超构透镜器材的本征色散和多焦特性,波长信息被转换为在同一平面上的不同焦点的强度散布。试验结果表明,在单色和多色光束的照射下,该紧凑型超构透镜光谱仪能够在180个预先规划的焦点处对不同波长的光进行别离和聚集。而在作业间隔为300 μm的可见光波段,它可完结纳米级宽带光谱分辨率。凭仗易于制作的特色,这种依据超构透镜的光谱仪技能在片上集成光子学和紧凑型光谱运用(例如化学传感和环境监测)等方面显示出巨大的潜力。

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图1 指尖上的超构透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪示意图。

在另一篇论文“Microtaper leaky-mode spectrometer with。 pi。cometer resolu。ti。on”中,研讨人员提出将具有增强漏模的微纳光纤锥用于光谱传感,如图1右侧所示。微纤维是操作光场的抱负小尺度东西。微纳光纤锥是一种依据微纤维的器材,在非绝热条件下,它能够在短间隔内迫使导模变为漏模。已有研讨提出光纤中的多模干与会发生与光谱信息相关的随机散斑,例如,运用级联无芯光纤和光子晶体光纤制成了一种紧凑型全光纤散斑光谱仪。但是,如粗糙外表和多模光纤等传统办法,一般需求粗笨且贵重的勘探器来丈量散斑,这严峻约束了其运用。此外,在曾经的研讨中,漏模一般被认为是不可取的。浙江大学马耀光研讨员的研讨团队创造性地提出运用微纳光纤锥的漏模作为获取光谱信息的手法。众所周知,经过调整光纤的几许形状能够发生漏模。研讨人员构建了一种可扩展的光谱仪体系,该体系结合了曲折的微纤维锥形顶级、CMOS。图画传感器。以及轻量级视觉。转换器。(ViT)。网络。来完结高光谱成像。在该体系中,因为光纤几许形状发生的不同形式之间的。耦合。,微纤维锥形顶级会发生杂乱的漏模散斑。然后,凭仗光纤锥形结构易于制作和集成的特性,数据收集由CMOS图画传感器完结。ViT网络作为体系的大脑,终究能够辨认光谱信息与漏模图画之间的相关性。当光穿透微纳光纤锥时,它会激起对入射光谱高度灵敏的漏模。经过丈量漏模的散斑,研讨人员能够提取输入光场的光谱信息。这种微纳光纤锥光谱仪能够在450 nm至1000 nm的宽波长规模内作业,分辨率高达1 pm。此外,该光谱仪中心元件的本钱低于15美元,使其成为光谱传感运用的低本钱处理方案。这种灵敏安稳的光谱仪体系有望在食物查验、药品判定、个性化健康确诊等各个范畴得到广泛运用。

上述两项研讨都展示了对超紧凑元件的运用,别离是300 μm × 300 μm的超构透镜以及1 mm²的微纳光纤锥,二者都构建出了高分辨率的光谱仪。这两项研讨展示了超构透镜和微纳光纤锥在光谱传感和剖析范畴的广泛用处和立异潜力。尽管这两项作业都有助于促进光谱仪微型化开展,但它们在光谱剖析办法上有所不同。在第一项研讨中,超构透镜是一种直接光谱仪,它将多波长的光别离并聚集到同一平面上预先规划的焦点上,然后能够直接读取不同波长的光场散布。而在第二项研讨中,微纳光纤锥是作为漏模的发生器,依据不同的光谱信息发生不同的散斑。然后,需求运用一个核算进程来取得终究的光谱。这两种光谱仪皆具有杰出的灵敏性、安稳性和高分辨率,这使其成为指尖上的光谱仪的潜在挑选,特别适用于线谱的丈量。但是,连续光谱的重要性不容忽视,进一步的研讨有望探究其在不同类型的光谱检索中的潜力。综上所述,这两项研讨拓宽了光谱仪微型化的规模,供给了进步分辨率和作业带宽的新办法,并引导了新式光谱仪的开展方向。

论文链接:
https://doi.。or。g/10.1038/s41377-023-01217-z。