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国际团队开发超紧凑型片上中红外光谱仪,可应用于自动驾驶汽车

2021-06-09 14:04:15

近日,国际研究团队开发出一款中红外光谱仪,器件直径比人类头发丝还小。中红外光谱仪广泛应用于温室气体检测,且可以使自动驾驶汽车更安全。因此,研究者近年来对开发紧凑型片上光谱仪非常感兴趣。传统光谱仪体积较大且价格昂贵,而片上光谱仪可极大地扩大该技术的应用范围和易用性。


为实现该目标,来自美国、以色列和日本的研究人员共同开发出一款超紧凑型中红外光谱仪。此项研究由耶鲁大学工程与科学学院Barton L. Weller副教授和Fengnian Xia、以色列巴伊兰大学(Bar-Ilan University)Doron Naveh教授以及日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science)Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi进行合作。


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这款光谱仪采用了Fengnian Xia实验室长期研究的一种材料—黑磷(BP),从而使该基于单个可调谐光电探测器在2至9微米波长范围内运行。黑磷厚度约为10纳米,允许用户调整光与物质的相互作用,从而捕获不同的光谱成分,这也是该器件成功的关键。此外,先进的算法对于该光谱仪也非常重要,可将光谱学中部分固有复杂性由硬件转移到软件。


这款光谱仪尺寸为9×16平方微米,远小于人类发丝横截面,且其尺寸与所测量的光波长相当。即使光谱仪尺寸变得更小,由于衍射现象,其性能也不会有太大改进,因为通常情况下,光线无法集中于比其波长小太多的焦点。


巴伊兰大学的Doron Naveh教授表示:“非常高兴可以开发出这款紧凑且高性能的光谱仪。我们希望可将此项工作中硬件和软件的发展原则,从而推动其在医学、农业和食品质量控制领域的商业应用。”


传统光谱仪会将光按构成光谱的颜色分离。Fengnian Xia实验室博士生以及该研究的主要作者Shaofan Yuan表示:“新款光谱仪比传统的光分离光谱仪更具优势,因此光无需在空间上分离为不同部分。”


与传统光谱仪不同,该光谱仪不依赖诸如干涉仪或可调谐红外激光器等先进光学组件,因此有可能会使光谱仪的尺寸达到Z小,并可实现片上、经济型的中红外光谱和可见光光谱成像。研究人员指出,汽车、无人机和卫星通常会配备红外摄像头,可以拍摄灰度热像图来检测行人、车辆和其他危险。Fengnian Xia实验室的新款光谱仪在此类潜在威胁检测方面能力较高,因此尽管分辨率不够高,也可连续测量光谱信息。此外,新款光谱仪还可用于遥感。

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