Spektrometer sind wichtige wissenschaftliche Instrumente in verschiedenen Forschungsbereichen und dienen seit jeher als unverzichtbare Werkzeuge für die Grundlagenforschung. Die unhandliche Größe herkömmlicher Spektrometer stellt jedoch kostengünstige und kompakte mobile Plattformen vor Herausforderungen.
In den letzten Jahren hat die Miniaturisierung von Spektrometern, die auf spektraler raumzeitlicher Kodierung und numerischen Berechnungstechniken basieren, große Aufmerksamkeit erlangt. Dennoch bilden komplexe Dispergierkonstruktionen sowie fortschrittliche Material- und Präzisionsfertigungstechnologien in erster Linie die Grundlage bestehender miniaturisierter Konstruktionen. Darüber hinaus behindern komplizierte Kalibrierungsprobleme im Zusammenhang mit der Spektralkodierung die Verallgemeinerung von Einfachheit und Miniaturisierung zusätzlich.
In einem aktuellen Durchbruch haben Prof. Shiyuan Liu und seine Gruppe an der Huazhong University of Science and Technology das grundlegende optische Prinzip der „kohärenten Modenzerlegung der Breitbandbeugung“ in ihre Erforschung spektraler Messtechniken einbezogen. Ihre Arbeit hat zur Entwicklung eines außergewöhnlich schlanken, beugungsbasierten Computerspektrometers geführt.
Die Forschungsergebnisse tragen den Titel „Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer“. veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungen und erlangte als Titelblatt Anerkennung.
„Wir präsentieren ein neuartiges und unkompliziertes Spektrometerdesign, das auf der Ein-zu-Breitband-Beugungsabbildung zur Spektralkodierung basiert. Unser innovativer Ansatz beinhaltet eine beliebig geformte Lochblende als beugungsbasierten Teildisperser, der vor dem Detektor positioniert ist. Dadurch entfällt die Notwendigkeit.“ für komplizierte Vorkodierungsdesigns, wodurch das Spektrometer extrem vereinfacht und äußerst kosteneffektiv wird, mit einem Kerndispersergerät, das fast einen Dollar kostet“, sagen die Wissenschaftler.
„Mit nur einer einzigen Aufnahme des Breitbandbeugungsbildes können wir das Spektrum des einfallenden Lichtspektrums genau bestimmen. Dieser Erfolg wird durch kohärente Modenzerlegung des aufgenommenen Breitbandbildes ermöglicht. Insbesondere haben wir eine innovative Kartierungsmethode eingeführt, die darauf basiert spektralbasierte Punktspreizfunktion, abgeleitet aus einer einzelnen Aufnahme eines monochromatischen Beugungsbildes. Diese Zuordnung ermöglicht die Generierung einer vollständigen spektralen Antwortfunktion bei der spektralen räumlich-zeitlichen Kodierung, wodurch die Notwendigkeit eines Vorkodierungsdesigns, einer komplizierten hochpräzisen Herstellung oder Kalibrierung entfällt die volle spektrale Antwortfunktion“, fügen sie hinzu.
„Unser entwickeltes Spektrometer hat eine Genauigkeit der rekonstruierten spektralen Peak-Lokalisierung von besser als 1 nm über eine Bandbreite von 200 nm und eine spektrale Peak-Auflösung von 3 nm auf einer kompakten Grundfläche von weniger als einem halben Zoll gezeigt. Dies ist die erste Demonstration eines Spektrometerdesigns, das dies ermöglicht.“ integriert eine extrem vereinfachte und beliebig geformte Beugungsstruktur“, erklären sie.
„Unser Design ermöglicht Einzelschuss-Spektrumsmessungen über einen breiten Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Infrarot mit miniaturisierter Lab-on-Chip-Integration. Dieser Fortschritt ist für tragbare Anwendungen von entscheidender Bedeutung und bietet hohe Robustheit, niedrige Kosten und Langzeitstabilität. „
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Chuangchuang Chen et al., Ultravereinfachtes beugungsbasiertes Computerspektrometer, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-023-01355-4