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颠覆传统,他们将先进光谱技术与高速成像结合起来

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  • 发布时间:2020-04-11 13:35
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【概要描述】研究人员使用这种新方法来获取从瓶中逸出的氨气的高光谱图像。他们以每秒25帧的视频速率实现1 GHz(0.0033/cm)的光学分辨率,每帧包含327680个单独的光谱测量值。

颠覆传统,他们将先进光谱技术与高速成像结合起来

【概要描述】研究人员使用这种新方法来获取从瓶中逸出的氨气的高光谱图像。他们以每秒25帧的视频速率实现1 GHz(0.0033/cm)的光学分辨率,每帧包含327680个单独的光谱测量值。

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前言

研究人员首次使用一种称为双梳光谱的先进分析技术来快速获取极其详细的高光谱图像。通过以高灵敏度和高速度获取场景中每个像素的全范围信息,可以极大地推进化学分析和生物医学传感等技术的发展

 

西班牙马德里卡洛斯三世大学的研究小组负责人佩德罗·马丁·马特奥斯说:“双梳光谱技术通过提供优异的光谱分辨率和准确性以及较短的采集时间而无需移动部件,彻底改变了传统意义上的光谱学。这种新的直接高光谱双梳成像方法将有可能扩展当前双梳系统的大多数点检测功能,以创建整个场景的光谱图像。”

 

双梳光谱仪使用两个称为光频率梳的光源,它们发出的光谱(或频率)像梳子上的牙齿一样完全隔开。

 

据相关报道称,该研究是人们首次使用摄像机直接检测到双梳状光谱。

 

马丁·马特奥斯说:“我们在短短一秒钟内就演示了二维物体的光谱,比以前的演示快了三个数量级。这种极快的采集时间可以实现快速或动态过程的双梳高光谱成像,这是以前不可能做到的。”

尽管这项工作是利用近红外波长进行的,但研究人员表示,这一概念可以轻松地转移到各种光谱区域,从而扩大了可能的应用范围。

 

尤其是将该方法扩展到太赫兹和毫米波光谱区域,将为食品、农业和制药行业的无损检测和产品检验提供许多新的研究方向。在中红外和近红外区域,它还可以增强化学成像、3D映射和表面形貌表征技术的性能。

研究人员展示了直接高光谱双梳成像方法的光学装置。该方法扩展了当前双梳系统的点检测能力,可以创建整个场景的光谱图像。

 

双梳状光谱仪通过干扰来自两个紧密匹配的光学频率梳所发出的光来进行工作。这种混合过程产生的信号被称为干涉图,其速率通常为数十兆赫兹(每秒百万次),即使是最快的高速摄像机也无法捕捉到。

 

马丁·马特奥斯解释说:“我们将系统生成的干涉图延长到一秒,从而可以使用摄像机检测到双梳状干涉信号,这样就能对整个场景进行光谱分析,而不仅仅是一个点。”

 

为此,研究人员建立了一个基于非常简单的电光双梳光源的系统,该电光源主要由光纤组件组成。两个声光调制器可以使光学梳偏移任意低频,从而产生超慢的干涉图。

 

研究人员使用这种新方法来获取从瓶中逸出的氨气的高光谱图像。他们以每秒25帧的视频速率实现1 GHz(0.0033/cm)的光学分辨率,每帧包含327680个单独的光谱测量值。据研究人员称,他们获得的分辨率可以轻松区分不同的气体,并且比目前的商用设备好100倍。

 

“简单性是该系统的主要优势之一,”马丁·马特奥斯说:“它可以完美地工作,并且可以在任何光学实验室中实施。”

 

这项工作是ATTRACT计划(Horizon 2020)资助的一个较大项目的一部分,该项目旨在开发一种快速高光谱成像系统,该系统使用电磁频谱的太赫兹区域进行检查、质量控制以及农产品和食品的分类。研究人员现在正在努力开发太赫兹双梳光源,以在该光谱区域内演示该方法。

 

参考文献:Pedro Martín-Mateos et al, Direct hyperspectral dual-comb imaging, Optica (2020). DOI:10.1364/OPTICA.382887

(文章来源:携手健康网、光电杂志)

 

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