英國開發(fā)迄今為止設(shè)計的最小的光譜儀

作者： 2019年09月29日 來源：全球化工設(shè)備網(wǎng) 瀏覽量：
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近日，英國劍橋大學(xué)Tawfique Hasan帶領(lǐng)的科研團隊開發(fā)了一種基于單一組成工程納米線的微型光譜儀，該納米線獨立于復(fù)雜的光學(xué)元件或空腔。根據(jù)研究人員的說法，它是迄今為止設(shè)計的最小的光譜儀。相關(guān)研究成果“Single
　　近日，英國劍橋大學(xué)Tawfique Hasan帶領(lǐng)的科研團隊開發(fā)了一種基于單一組成工程納米線的微型光譜儀，該納米線獨立于復(fù)雜的光學(xué)元件或空腔。根據(jù)研究人員的說法，它是迄今為止設(shè)計的最小的光譜儀。相關(guān)研究成果“Single nanowire spectrometers”于9月6日發(fā)表在Science上(DOI: 10.1126/science.aax8814)。
 
　　1666年，牛頓用棱鏡開展分解太陽光實驗，發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡的折射后可觀察到不同色彩，該實驗為光譜儀的誕生播下種子。目前光譜儀在科研和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，大部分光譜儀的工作原理仍和牛頓的實驗相似，需要用到棱鏡或光柵之類的分光元件。這種光譜儀體積龐大已無法滿足日益發(fā)展的光譜應(yīng)用技術(shù)需求，但是減小分光和探測元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀檢測質(zhì)量顯著下降，光譜儀微型化是目前科技界面臨的挑戰(zhàn)之一。
 
　　為此，Tawfique Hasan團隊與來自中國、英國以及芬蘭的研究機構(gòu)合作，成功開發(fā)出尺寸僅幾十微米的光譜儀，該儀器主要由一根比人類頭發(fā)千分之一還細的半導(dǎo)體納米線組成，其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一。他們另辟蹊徑，用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統(tǒng)光譜儀中的分光和探測元件，采用和制作電腦芯片類似的工藝在這種納米線上加工出了光探測器陣列，巧妙地利用各個探測器對不同顏色光具有不同響應(yīng)的特性，通過逆問題的求解，從響應(yīng)函數(shù)方程組中重構(gòu)出所需要測量的光譜信息。
 
　　論文的第一作者，劍橋大學(xué)石墨烯中心的中國留學(xué)生楊宗銀博士介紹說：“我們沿長度方向?qū){米線的組分進行了調(diào)控，得到的納米線在熒光顯微鏡下觀察就像一道彩虹，很容易讓人聯(lián)想到牛頓三棱鏡實驗中的七彩色，沿著這個思路我們開始探索用納米線替代三棱鏡，這樣可以把傳統(tǒng)光學(xué)器件的尺寸縮小到納米尺度，使這些器件在可穿戴設(shè)備等新興領(lǐng)域中找到應(yīng)用”。
 
　　“我們平時用相機拍照的時候，每個像素點只包含了紅、綠、藍三種顏色信息，而這種光譜儀可以讓每個像素點記錄下幾十或者上百種譜線強度，這樣就可以獲取到除了色彩之外的其他有用信息，比如通過測量火焰的光可以告訴我們里面發(fā)生了哪些化學(xué)反應(yīng)”，論文的共同第一作者Tom Albrow-Owen博士補充道。
 
　　“我們的微型光譜儀與廣泛使用的手機攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，可設(shè)計成緊湊式光譜儀模塊使手機具備光譜探測能力，方便在生活中測量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測技術(shù)有望走進大眾日常生活中”，團隊的負責(zé)人Tawfique Hasan博士說道。
 
　　研究人員表示，他們正為該技術(shù)申請了專利，希望在該光譜儀基礎(chǔ)上開發(fā)出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀。
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