0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

指尖上的超构透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪

MEMS 来源:MEMS 2023-07-29 11:13 次阅读

据麦姆斯咨询报道,近日,澳门大学应用物理及材料工程研究院刘宏超等研究人员在Light: Science & Applications期刊发表了以“Metalens and microtaper spectrometers on a fingertip”为主题的评述文章。

随着片上集成光子学技术的发展,研究人员正在寻求制造易于集成到各种设备和系统中的紧凑型便携式光谱仪的方法。这些微型光谱仪有望对光与物质相互作用进行高精度的测量,从而能够识别不同材料的化学成分、检测环境中的污染物,并实时诊断医疗状况。这促进了光谱仪各类新兴应用的发展,从医疗保健与生物技术领域(例如可穿戴医疗器械)到环境监测与农业领域(例如手持式环境探测器)。尽管光谱仪的微型化仍然面临着诸多挑战,但近年来纳米制造技术和材料科学的进步使得制造出功能强大、经济、紧凑型的光谱仪成为可能,这些光谱仪能够提供高质量的光谱探测能力。随着对微型光谱仪需求的不断增长,研究人员正在不断拓宽其性能极限,以期为光学和光子学领域带来令人激动的创新。

超构表面(Metasurfaces)和微纤维凭借其超紧凑的特性,在各类光学应用中展现出巨大潜力。作为一种典型的超构表面,超构透镜(metalens)能够自由操纵光的色散,并精确控制光的路径,使其成为成像和光通信领域的理想选择。同时,微纤维能够以最小的失真传输和反射光,使其成为光谱测量的有效工具。近期发表在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究团队分别提出了利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可以聚焦多波长光的多焦点超构透镜,如图1左侧所示。多焦点超构透镜通常具有小平面结构,可以将不同颜色的光同时聚焦到多个焦点上,从而实现单镜头光谱探测和成像。虽然已有研究人员提出了子区域设计和折叠超构透镜来实现多波长色散控制,但每个波长设计的像素有限,往往导致光束聚焦质量差或不同焦距下的多个焦点。该研究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,其光斑大小和最大强度几乎相同,从而完美有效地解决了这一问题。基于超构透镜器件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分布。实验结果表明,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个预先设计的焦点处对不同波长的光进行分离和聚焦。而在工作距离为300 μm的可见光波段,它可实现纳米级宽带光谱分辨率。凭借易于制造的特点,这种基于超构透镜的光谱仪技术在片上集成光子学和紧凑型光谱应用(例如化学传感和环境监测)等方面显示出巨大的潜力。

17a2dd8a-2d61-11ee-815d-dac502259ad0.jpg


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 picometer resolution”中,研究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。微纤维是操纵光场的理想小尺寸工具。微纳光纤锥是一种基于微纤维的器件,在非绝热条件下,它可以在短距离内迫使导模变为漏模。已有研究提出光纤中的多模干涉会产生与光谱信息相关的随机散斑,例如,利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。然而,如粗糙表面和多模光纤等传统方法,通常需要笨重且昂贵的探测器来测量散斑,这严重限制了其应用。此外,在以前的研究中,漏模通常被认为是不可取的。浙江大学马耀光研究员的研究团队创造性地提出使用微纳光纤锥的漏模作为获取光谱信息的手段。众所周知,通过调整光纤的几何形状可以产生漏模。研究人员构建了一种可扩展的光谱仪系统,该系统结合了弯曲的微纤维锥形尖端、CMOS图像传感器以及轻量级视觉转换器(ViT)网络来实现高光谱成像。在该系统中,由于光纤几何形状产生的不同模式之间的耦合,微纤维锥形尖端会产生复杂的漏模散斑。然后,凭借光纤锥形结构易于制造和集成的特性,数据采集由CMOS图像传感器完成。ViT网络作为系统的大脑,最终可以识别光谱信息与漏模图像之间的相关性。当光穿透微纳光纤锥时,它会激发对入射光谱高度敏感的漏模。通过测量漏模的散斑,研究人员可以提取输入光场的光谱信息。这种微纳光纤锥光谱仪可以在450 nm至1000 nm的宽波长范围内工作,分辨率高达1 pm。此外,该光谱仪核心元件的成本低于15美元,使其成为光谱传感应用的低成本解决方案。这种灵活稳定的光谱仪系统有望在食品检验、药品鉴定、个性化健康诊断等各个领域得到广泛应用。

上述两项研究都展示了对超紧凑元件的利用,分别是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。这两项研究展现了超构透镜和微纳光纤锥在光谱传感和分析领域的广泛用途和创新潜力。虽然这两项工作都有助于促进光谱仪微型化发展,但它们在光谱分析方法上有所不同。在第一项研究中,超构透镜是一种直接光谱仪,它将多波长的光分离并聚焦到同一平面上预先设计的焦点上,从而可以直接读取不同波长的光场分布。而在第二项研究中,微纳光纤锥是作为漏模的发生器,根据不同的光谱信息产生不同的散斑。然后,需要利用一个计算过程来获得最终的光谱。这两种光谱仪皆具有良好的灵活性、稳定性和高分辨率,这使其成为指尖上的光谱仪的潜在选择,尤其适用于线谱的测量。然而,连续光谱的重要性不容忽视,进一步的研究有望探索其在不同类型的光谱检索中的潜力。综上所述,这两项研究拓展了光谱仪微型化的范围,提供了提高分辨率和工作带宽的新方法,并引导了新兴光谱仪的发展方向。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01217-z

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 光纤
    +关注

    关注

    19

    文章

    3915

    浏览量

    73163
  • 纳米
    +关注

    关注

    2

    文章

    696

    浏览量

    36985
  • 光谱仪
    +关注

    关注

    2

    文章

    964

    浏览量

    30771

原文标题:指尖上的超构透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    近红外光谱仪校准方法 近红外光谱仪与紫外光谱仪区别

    近红外光谱仪校准方法 近红外光谱仪(NIR)是一种用于分析物质成分的仪器,它通过测量物质对近红外光的吸收来获取信息。校准是确保光谱仪测量结果准确性的重要步骤。以下是近红外光谱仪校准的一
    的头像 发表于 12-06 10:31 159次阅读

    什么是光纤光谱仪光纤光谱仪的应用

    是一种利用光纤将光信号传输到光谱仪进行分析的仪器。它通常由光源、光纤光谱仪和探测器等部分组成。光纤光谱
    的头像 发表于 10-25 17:21 355次阅读
    什么是<b class='flag-5'>光纤</b><b class='flag-5'>光谱仪</b>?<b class='flag-5'>光纤</b><b class='flag-5'>光谱仪</b>的应用

    深度解析LIBS光谱仪

    LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)光谱仪,即激光诱导击穿光谱仪,是一种原子发射光谱技术。它利用高能量聚焦脉冲激光光束激发样品表面,使样品材料瞬间汽化
    的头像 发表于 10-24 19:40 460次阅读
    深度解析LIBS<b class='flag-5'>光谱仪</b>

    地物光谱仪:原理、应用与技术特点

    地物光谱仪是一种用于测量地表物体(包括植物、土壤、水体等)反射光谱特征的仪器。通过分析这些光谱特征,科学家和工程师可以获取有关地物的化学成分、物理结构和生理状态等信息。地物光谱仪在农业
    的头像 发表于 08-08 17:53 1130次阅读

    地物光谱仪是测什么的

    在现代科技飞速发展的今天,地物光谱仪作为一项重要的科学仪器,正在广泛应用于地球科学、环境监测、农业和资源勘探等领域。那么,地物光谱仪到底是用来测什么的呢?本文将深入探讨这一问题,揭示地物光谱仪在各种
    的头像 发表于 07-22 14:25 312次阅读
    地物<b class='flag-5'>光谱仪</b>是测什么的

    光谱仪能测到金属内部吗

    光谱仪的工作原理和金属的物理特性来看,光谱仪测量金属内部的可能性受到一定的限制。光谱仪是一种用于测量物质光谱特性的仪器,广泛应用于化学分析、材料科学、环境监测、天文学等领域。它通过分
    的头像 发表于 07-18 09:39 1208次阅读

    如何对光谱仪进行校正

    光谱仪是一种测量物质光谱特性的仪器,广泛应用于化学、物理、生物、材料科学等领域。为了确保光谱仪测量结果的准确性和可靠性,需要对光谱仪进行定期校正。本文将介绍
    的头像 发表于 07-18 09:35 1444次阅读

    手持光谱仪怎么看测试结果

    手持光谱仪是一种便携式光谱分析仪器,广泛应用于材料分析、环境监测、地质勘探等领域。它通过测量物质对光的吸收、发射或散射特性,从而分析物质的组成和含量。 一、手持光谱仪的基本原理 手持光谱仪
    的头像 发表于 07-18 09:22 875次阅读

    使用800nm OCT光谱仪实现深OCT成像

    使用800nmOCT光谱仪实现深OCT成像传统,OCT成像需要使用更长的波长来探测单次扫描中超过几毫米的深度,但波长超过1100nm之后,就需要使用InGaAs探测器相机作为探测元件了,这是
    的头像 发表于 07-18 08:16 341次阅读
    使用800nm OCT<b class='flag-5'>光谱仪</b>实现<b class='flag-5'>超</b>深OCT成像

    拉曼光谱仪原理及应用

    一、拉曼光谱仪的原理 拉曼光谱仪的原理是基于印度科学家C.V.拉曼所发现的拉曼散射效应,即当一束单色光照射到样品后,分子可以使入射光发生散射,大部分光只是改变光的传播方向,而穿过分子的透射光的频率
    的头像 发表于 07-01 06:28 658次阅读

    地物光谱仪是测什么的

    在科技迅猛发展的今天,地物光谱仪作为一种高端科技设备,在遥感科学中扮演着至关重要的角色。但是,许多人对地物光谱仪并不是非常了解,不知道它是用来做什么的,又是如何帮助科学家们进行地球表面研究的。本文将
    的头像 发表于 05-10 10:45 553次阅读
    地物<b class='flag-5'>光谱仪</b>是测什么的

    南方科技大学成功研制室温片微型红外光谱仪

    红外光谱仪在工业和实验室中有着重要的应用价值。然而,传统红外光谱仪(如光栅分光式、傅里叶变换式红外光谱仪)体积庞大、造价高昂且需要液氮制冷,这极大地限制了红外光谱仪在便携式设备上等更广
    的头像 发表于 05-10 09:08 629次阅读
    南方科技大学成功研制室温片<b class='flag-5'>上</b>微型红外<b class='flag-5'>光谱仪</b>

    近红外光谱仪的原理 近红外光谱仪的采样方式

    近红外光谱仪(Near Infrared Spectrometer,NIRS)是一种用于测量物质近红外光谱的仪器。它利用物质在近红外光波段的吸收特性来获取样品的信息,广泛应用于农业、生命科学、环境
    的头像 发表于 02-04 16:52 2004次阅读

    近红外光谱仪是干什么用的 近红外光谱仪使用方法

    广泛的应用,如化学、生物、医学、食品、环境等领域。本文将详细介绍近红外光谱仪的原理、使用方法以及应用领域。 近红外光谱仪的原理基于近红外光在物质的吸收和散射特性。近红外光波段的波长范围为700到2500纳米,这个
    的头像 发表于 01-25 13:43 2508次阅读

    基于简化衍射的计算光谱仪开发

    由于传统的光谱仪体积庞大而不符合很多实际应用场景,因此将光谱仪微型化以用于紧凑且经济型移动平台是当前光谱学研究的一项主要挑战。
    的头像 发表于 01-16 10:03 750次阅读
    基于<b class='flag-5'>超</b>简化衍射的计算<b class='flag-5'>光谱仪</b>开发