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高性能的光谱仪研制成功将被无缝集成到芯片光导传感器上

发布时间:2020-09-30 07:21:57 阅读: 来源:颇尔滤芯厂家

光谱仪作为一种分析仪器,几乎在每个科学领域都会用到,尤其在物理、化学和生物学研究中必不可少。这类设备通常体积过大以致于难以移动。

我们已经见过许多复杂且昂贵的高科技产品被缩到芯片大小,比如芯片原子力显微镜,甚至芯片粒子加速器。

其中一个难以缩小的高科技产品就是光谱仪,它可以分析光的波长,从而测定物质的化学成分。虽然纳米材料从技术上来讲已经使芯片光谱仪成为可能,但是这些设备的工作效果并不怎么好。光谱仪必须要使不同波长的光分散开来才能有效工作。光谱仪缩得越小,它的工作表现就越打折扣,因为光被分得不够开。

MIT的研究人员发现了解决这个问题的方法,他们用了一种新途径控制芯片光谱仪上的光。他们用光开关使不同波长的光分开走,这种方法使芯片光谱仪的工作表现在光谱分辨率,频道数和信噪比上能够与他们的大型近亲媲美。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。论文的合著者,MIT副教授Juejun Hu说,给这个光开关方法灵感的还是历史悠久且工作稳定的天平,只需几种不同的标准砝码就能称任何重量。在这个比喻中,几个不同的不同波长光路代替了那些标准砝码。仅仅用那么几种不同的光路就可能确定一大堆不同的波长。

为了进一步解释这个比喻,Hu说设备中有一个干涉仪,使光束发生干涉。干涉仪的各条臂上都有光开关,这样光就能被引入长短不同的导波管中。这种干涉仪型光谱仪的主要功能是在两条干涉仪臂间产生大量不同光程。这样,每个光程差都大约在最后的光谱上有一个对应的数据点(也被称为“光谱通道数”)。

“我们的开关网络构架使我们能从一组固定的波导长度中找到需要的光程差,并把它们任意结合,就像在秤上放多个砝码,”Hu解释道。

这种安排使能得到的光程差数量随固定波导长度和开关元素数量呈指数增长。Hu称,少数的开关就能产生精确光谱所需的大量光谱通道数。

原先的芯片光谱仪的工作表现随尺寸是线性增长的,而这种方法标志着巨大的转变。而因为尺寸小的原因,原来的芯片光谱仪的性能就大打折扣。

“我们证明了这种指数尺度结构是可行的,这样我们就能以小芯片封装得到高性能的光谱仪了,”Hu说。“虽然我们现在的原型机只有64个光谱通道,但下一代的设备在仅增加40%的芯片面积的情况下,就能增加到1024个通道。重点就在于这项技术或许让芯片光谱仪可以与它们巨大的同类进行真正的性能比拼。”

看起来Hu和他的同事,Derek Kita,一名博士生,也是论文的合著者,以及研究助理Brando Miranda已经想好了怎么把他们的设备工业化。通过一种商业硅光电子铸造服务,他们已经开发好了光谱仪的原型机,这意味着这种设备已经可以在标准技术下大规模生产了。

“我们还把芯片做成了‘接上就玩’的模块——测量所要做的所有工作就是把光纤连接器接入光源,再点击电脑上的几个按钮就能得到一整幅光谱了,所以它还是很好用的,”Hu补充说。

这款设备要开始测量物体,需要一个传感元件使样品与光场相互作用。在光谱仪的设计阶段,这一点就被考虑到了,光谱仪能被无缝集成到芯片光导传感器上,探测不同的目标。

目前,这款设备必须接入电源使用。然而,Hu相信它所需的电能如此少(少于0.1瓦),获得时间又如此短(少于0.1秒,甚至对于1024通道设备来说),所以它有可能实现电池供能。

无论是电池还是接入电源,这款芯片光谱仪最有可能的应用将会是光谱传感,无线电频谱分析和验光师用来绘制病人视网膜不同层图像的光学相干断层扫描。

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