피코미터 레프에서 누출 모드가 필요하지 않습니다.

CAS 창춘광학연구소 정밀기계물리학 광출판센터

이미지: 분광계는 피코미터 해상도로 스펙트럼 정보를 얻기 위해 단일 스냅샷만 찍고 0.3-1μm 범위에서 작동합니다.더보기

출처: Qingqing Cen, Sijie Pian, Xinhang Liu, Yuwei Tang, Xinying He, Yaoguang Ma 작성

스냅샷 측정을 통해 풍부한 빛-물질-상호작용 정보를 얻는 정밀도는 광학 분광학을 현대 산업 및 과학 연구에 없어서는 안 될 요소로 만듭니다. 전통적으로 부피가 큰 분광계의 소형화는 생체/의료 감지, 재료 분석, 광통신 및 광원 특성화를 포함한 광범위한 응용 분야에 의해 강력하게 추진되었습니다.

연구자들은 오랫동안 더 낮은 비용, 더 높은 유연성, 더 작은 크기, 더 나은 안정성 및 성능을 위해 분광계를 엔지니어링해 왔습니다. 그러나 위의 측면들 사이의 본질적인 절충 관계로 인해 소형화라는 장기적인 주제가 발전하는 데 제약이 있습니다. 일반적으로 분산 요소가 있는 분광계는 추가 공간 분리가 필요하며 큰 설치 공간을 남기는 경향이 있습니다.

필터(협대역 및 재구성 유형 포함) 기반 설계는 흡수 또는 반사로 인한 전력 손실과 제한된 채널 수로 인한 제한된 해상도 및 대역폭으로 인해 어려움을 겪습니다. 온칩 분광계는 나노제조에 의존하며 광대역 작동을 위한 결합 효율이 매우 낮은 경향이 있습니다.

무엇보다도 안정적인 고성능을 갖춘 유연하고 저렴한 소형 분광계는 아직 찾기 어렵습니다.

eLight에 발표된 새로운 논문에서 Zhejiang University의 Yaoguang Ma 교수가 이끄는 과학자 팀은 초분광 이미징을 위해 여러 테이퍼 팁을 통합하는 소형 분광계를 개발했습니다.

분광계는 입력 신호의 파장을 고유하게 결정하는 곡선형 극세사 테이퍼 팁에서 투사된 복잡한 누출 모드 반점을 활용합니다. CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미징 센서를 사용한 견고한 패키징을 통해 분광계의 데이터 수집은 외부 장비 없이 단일 스냅샷을 사용하여 완료될 수 있습니다.

CMOS 이미지 센서(CIS)에 의해 기록된 복잡한 프레임을 분석하기 위해 경량 비전 변환기(ViT) 네트워크가 사용되었습니다. 스펙트럼 정보와 누출 모드 이미지 간의 상관 관계는 훈련 후에 쉽게 구성할 수 있습니다. 또한 이 작은 고성능 장치는 저렴한 요소로 제작됩니다(분광계의 핵심 구성 요소 가격은 US$15 미만). 정확성과 신뢰성을 유지하면서 장기간에 걸쳐 사용할 수 있습니다.

다중 모드 간섭은 스펙트럼 정보와 관련된 임의의 얼룩을 생성할 수 있습니다. 그러나 이를 기반으로 하는 대부분의 분광계 설계는 거친 표면, 다중 모드 광섬유, 통합 구 또는 광결정과 같은 임의 매체에 의존합니다. 일반적으로 측정을 완료하려면 고성능 카메라나 현미경과 같은 부피가 크거나 값비싼 장비가 추가로 필요합니다.

반면, 마이크로섬유는 맞춤형 분산과 작은 설치 공간의 조명 필드를 조작하는 데 이상적인 도구입니다. 실험에서는 일반적으로 빛이 가능한 한 오랫동안 전파되도록 섬유 내부에 빛을 가두기 위해 마이크로섬유를 사용합니다. 극세사 테이퍼가 비단열 조건에서 그려지는 경우, 섬유 형상에 의해 유도된 서로 다른 모드 간의 결합으로 인해 일반적으로 극세사 적용에 바람직하지 않은 누출 모드가 생성됩니다.

그러나 Zhejiang University의 연구원들은 숨겨진 스펙트럼 정보를 복구하기 위해 유도된 무작위 반점을 연구함으로써 누출 모드를 활용하는 한편, 1mm 테이퍼 영역 내에서 누출 모드 생성을 최대화하기 위해 테이퍼의 드로잉 조건을 설계했습니다. 분광계는 0.3-1mm 영역 내에서 작동할 수 있습니다. 스냅샷 측정을 통해 ~1.5pm 해상도를 얻을 수 있습니다.

시연된 저비용의 확장 가능한 분광계는 초분광 이미징을 시연하기 위해 하나의 CIS 칩에 대규모로 구현될 수도 있습니다. 제안된 마이크로테이퍼 초분광 이미저의 데이터와 기존 분광계의 데이터 사이의 높은 일치는 설계에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다.