Недорогое устройство на основе чипов может изменить спектрометрию

Спектрометры — это устройства, которые различают разные длины волн света и используются для определения химического состава всего: от лабораторных материалов до далеких звезд, и это большие устройства с высокой стоимостью и, как правило, они находятся в крупных университетских и промышленных лабораториях или обсерваториях.

Новое исследования ученых в Массачусетском технологическом институте могло бы позволить создавать крошечные спектрометры, которые являются столь же точными и мощными, но могут быть произведены с использованием стандартных процессов изготовления чипов. Такой подход мог бы открыть новые применения для спектрометрии, которые ранее были бы физически и финансово невозможны.

Изобретение описано сегодня в журнале Nature Communications. Исследователи говорят, что новый подход к созданию спектрометров на чипе может обеспечить основные преимущества в производительности, размере, весе и потреблении энергии по сравнению с текущими инструментами.

Другие группы уже пытались сделать чип-спектрометры, но есть непростая проблема : способность устройства распространять свет на основе его длины волны, используя любую обычную оптическую систему, сильно зависит от размера устройства.

Другой тип спектрометра использует математический подход, называемый преобразованием Фурье. Но эти устройства по-прежнему ограничены одним и тем же ограничением длины. Оптические пути необходимы для достижения высокой производительности. Поскольку высокопроизводительные устройства требуют длительной, настраиваемой длины оптического пути, миниатюрные спектрометры традиционно хуже, чем их настольные аналоги.

  Ученые демонстрируют существование новой формы электронного вещества

Вместо этого «мы использовали другую технику», — говорят исследователи. Их система основана на оптических переключателях, которые могут мгновенно переворачивать луч света между различными оптическими путями, которые могут иметь разную длину. Эти полностью электронные оптические переключатели устраняют необходимость в подвижных зеркалах, которые требуются в текущих версиях, и могут быть легко изготовлены с использованием стандартной технологии изготовления чипов.

Путем использования длины пути в приращениях мощности эти длины можно комбинировать по-разному, чтобы реплицировать экспоненциальное число дискретных длин, что приводит к потенциальному спектральному разрешению, которое экспоненциально возрастает с количеством оптических переключателей на кристалле. Это тот же принцип, который позволяет шкале баланса точно измерять широкий диапазон весов, объединяя лишь небольшое количество стандартных весов.

В качестве доказательства концепции исследователи заключили контракт на производство полупроводников для создания устройства с шестью последовательными коммутаторами, производящими 64 спектральных канала, со встроенной возможностью обработки для управления устройством и обработки его вывода. Расширяясь до 10 переключателей, разрешение сканирует до 1024 каналов. Они спроектировали устройство как модуль plug-and-play, который можно было легко интегрировать с существующими оптическими сетями.

Команда ученых также использовала новые методы машинного обучения для восстановления подробных спектров из ограниченного числа каналов. Способ, который они разработали, хорошо работает, чтобы обнаружить как широкие, так и узкие спектральные пики. Они смогли продемонстрировать, что производительность действительно соответствовала расчетам и, таким образом, открывается широкий спектр потенциальных возможностей для дальнейшего развития для различных приложений.

  Температура исцеляет литиевые дендриты в батареях

Исследователи говорят, что такие спектрометры могут найти применение в сенсорных устройствах, системах анализа материалов, оптической когерентной томографии в медицинской визуализации и мониторинге работы оптических сетей, на которые полагаются большинство современных цифровых сетей. Существует также интерес к приложениям для мониторинга промышленных процессов в режиме реального времени, а также для зондирования окружающей среды для таких отраслей, как нефтегазовая промышленность.

 

Источник: ab-news.ru

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться для отправки комментария.