Für Mikroverjüngungen ist kein Leaky-Modus auf Pikometerebene erforderlich

Die Präzision, reichlich Licht-Materie-Wechselwirkungsinformationen mit einer Momentaufnahmemessung zu erhalten, macht die optische Spektroskopie für die moderne Industrie und wissenschaftliche Forschung unverzichtbar. Die Miniaturisierung von traditionell sperrigen Spektrometern wurde stark durch die umfangreichen Anwendungen motiviert, darunter bio/medizinische Sensorik, Materialanalyse, optische Kommunikation und Lichtquellencharakterisierung.

Forscher entwickeln seit geraumer Zeit Spektrometer für niedrigere 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, einen großen Fußabdruck zu hinterlassen.

Auf Filtern (einschließlich Schmalband- und Rekonstruktionstypen) basierende Konstruktionen leiden unter einem Leistungsverlust, der entweder durch Absorption oder Reflexion verursacht wird, und einer begrenzten Auflösung und Bandbreite aufgrund begrenzter Kanalzahlen. On-Chip-Spektrometer beruhen auf Nanofabrikation und neigen dazu, eine sehr geringe Kopplungseffizienz für Breitbandbetrieb zu haben.

Vor allem ist ein flexibles und kostengünstiges winziges Spektrometer mit stabiler hoher Leistung immer noch schwer zu finden.

In einem neuen Artikel, erschienen in eLighthat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yaoguang Ma von der Zhejiang University ein kompaktes Spektrometer entwickelt, das mehrere konische Spitzen für die hyperspektrale Bildgebung integriert.

Das Spektrometer verwendet komplexe Leaky-Mode-Speckles, die von einer gebogenen Mikrofaser-Konusspitze projiziert werden, die die Wellenlänge des Eingangssignals eindeutig bestimmt. Durch die solide Verpackung mit einem komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Bildsensor kann die Datenerfassung unseres Spektrometers mit einem einzigen Schnappschuss abgeschlossen werden, ohne dass externe Geräte erforderlich sind.

Zur Analyse der vom CMOS-Bildsensor (CIS) aufgenommenen komplexen Frames wurde ein Lightweight Vision Transformer (ViT)-Netzwerk verwendet. Die Korrelation zwischen den spektralen Informationen und Leaky-Mode-Bildern kann nach dem Training leicht konstruiert werden. Darüber hinaus wird dieses winzige Hochleistungsgerät mit kostengünstigen Elementen hergestellt (die Kernkomponenten des Spektrometers kosten weniger als 15 US-Dollar). Es könnte über lange Intervalle verwendet werden, während Genauigkeit und Zuverlässigkeit beibehalten werden.

Multimode-Interferenzen könnten zufällige Flecken erzeugen, die Spektreninformationen zugeordnet sind. Die meisten darauf basierenden Spektrometerdesigns stützen sich jedoch auf zufällige Medien wie raue Oberflächen, Multimode-Fasern, integrierende Kugeln oder photonische Kristalle. Diese erfordern normalerweise zusätzliche sperrige oder teure Geräte, wie eine Hochleistungskamera oder sogar ein Mikroskop, um die Messung abzuschließen.

Andererseits sind Mikrofasern ideale Werkzeuge zum Manipulieren von Lichtfeldern aufgrund ihrer maßschneiderbaren Streuung und ihres geringen Platzbedarfs. Experimente verwenden normalerweise Mikrofasern, um Licht innerhalb der Faser einzuschließen, damit es sich so lange wie möglich ausbreiten kann. Wenn eine Mikrofaserverjüngung unter nicht-adiabatischen Bedingungen gezogen wird, erzeugt eine Kopplung zwischen verschiedenen Moden, die durch die Fasergeometrie induziert wird, Leckmoden, die typischerweise für Mikrofaseranwendungen unerwünscht sind.

Forschern der Zhejiang-Universität gelang es jedoch, den Leaky-Modus zu nutzen, indem sie die induzierten zufälligen Speckles untersuchten, um die verborgenen Spektralinformationen wiederherzustellen, während sie die Zeichnungsbedingungen der Verjüngung so konstruierten, dass die Erzeugung von Leaky-Modi innerhalb eines 1-mm-Verjüngungsbereichs maximiert wurde. Das Spektrometer kann in einem Bereich von 0,3–1 mm betrieben werden. Mit einer Schnappschussmessung kann eine Auflösung von ~1,5 pm erreicht werden.

Das demonstrierte kostengünstige, skalierbare Spektrometer kann auch im Maßstab auf einem CIS-Chip implementiert werden, um die hyperspektrale Bildgebung zu demonstrieren. Die hohe Übereinstimmung zwischen den Daten des vorgeschlagenen Mikrotaper-Hyperspektralbildgebers und den Daten des konventionellen Spektrometers zeigt ein großes Potenzial für deren Design.