Não há necessidade de um modo de vazamento no nível do picômetro

Light Publishing Center, Instituto Changchun de Óptica, Mecânica Fina e Física, CAS

image: O espectrômetro tira apenas um único instantâneo para obter as informações espectrais com uma resolução de picômetro e funciona na faixa de 0,3-1 μm.Veja mais

Crédito: por Qingqing Cen, Sijie Pian, Xinhang Liu, Yuwei Tang, Xinying He, Yaoguang Ma

A precisão da obtenção de informações abundantes de interação luz-matéria com uma medição instantânea torna a espectroscopia óptica indispensável para indústrias modernas e pesquisas científicas. A miniaturização de espectrômetros tradicionalmente volumosos tem sido fortemente motivada pelas vastas aplicações, incluindo detecção bio/médica, análise de materiais, comunicação óptica e caracterização de fonte de luz.

Pesquisadores vêm projetando espectrômetros para baixo custo, maior flexibilidade, tamanho menor, melhor estabilidade e desempenho há algum tempo. No entanto, uma compensação inerente entre os aspectos acima restringe o avanço desse tema de longo prazo da miniaturização. Geralmente, espectrômetros com elementos dispersivos requerem separações espaciais extras e tendem a deixar uma pegada grande.

Os projetos baseados em filtros (incluindo banda estreita e tipos reconstrutivos) sofrem de perda de energia causada por absorção ou reflexão e resolução e largura de banda limitadas devido a números de canais limitados. Os espectrômetros no chip dependem da nanofabricação e tendem a ter eficiência de acoplamento muito baixa para operação em banda larga.

Acima de tudo, um pequeno espectrômetro flexível e de baixo custo com alto desempenho estável ainda é indescritível.

Em um novo artigo publicado na eLight, uma equipe de cientistas liderada pelo professor Yaoguang Ma, da Universidade de Zhejiang, desenvolveu um espectrômetro compacto que integra várias pontas cônicas para imagens hiperespectrais.

O espectrômetro utiliza manchas complexas de modos de vazamento projetadas a partir de uma ponta cônica curvada de microfibra que determina exclusivamente o comprimento de onda do sinal de entrada. Por embalagem sólida com um sensor de imagem de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS), a aquisição de dados de nosso espectrômetro pode ser concluída usando um único instantâneo sem necessidade de equipamento externo.

Uma rede de transformador de visão leve (ViT) foi usada para analisar os quadros complexos gravados pelo sensor de imagem CMOS (CIS). A correlação entre as informações espectrais e as imagens do modo com vazamento pode ser facilmente construída após o treinamento. Além disso, este minúsculo dispositivo de alto desempenho é fabricado com elementos de baixo custo (os componentes principais do espectrômetro custam menos de US$ 15). Pode ser usado em longos intervalos, mantendo a precisão e a confiabilidade.

Interferências multimodo podem gerar manchas aleatórias associadas a informações de espectro. No entanto, a maioria dos projetos de espectrômetros baseados nele dependem de meios aleatórios, como superfícies ásperas, fibra multimodo, esferas integradoras ou cristais fotônicos. Estes geralmente requerem equipamentos adicionais volumosos ou caros, como uma câmera de alto desempenho ou mesmo um microscópio, para completar a medição.

Por outro lado, as microfibras são ferramentas ideais para manipular campos de luz de sua dispersão adaptável e tamanho pequeno. Os experimentos geralmente usam microfibras para confinar a luz dentro da fibra para se propagar o maior tempo possível. Se um cone de microfibra for estirado em condições não adiabáticas, o acoplamento entre diferentes modos induzidos pela geometria da fibra gerará modos de vazamento que são normalmente indesejados para aplicações de microfibra.

No entanto, pesquisadores da Universidade de Zhejiang conseguiram utilizar o modo de vazamento estudando as manchas aleatórias induzidas para recuperar as informações espectrais ocultas, enquanto projetavam as condições de desenho do cone para maximizar a geração de modos de vazamento em uma região de cone de 1 mm. O espectrômetro pode operar na região de 0,3-1 mm. Uma resolução de ~1,5 pm pode ser alcançada com uma medição instantânea.

O espectrômetro escalonável e de baixo custo demonstrado também pode ser implementado em escala em um chip CIS para demonstrar imagens hiperespectrais. A alta concordância entre os dados do gerador de imagens hiperespectrais microtaper proposto e os dados do espectrômetro convencional mostra um grande potencial para seu design.