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用納米線取代牛頓玻璃棱鏡將光譜儀縮小1000倍
2019-09-29 09:42:37福建物構(gòu)所閱讀量：652 我要評(píng)論
【化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng) 新品動(dòng)態(tài)】近日，英國(guó)劍橋大學(xué)Tawfique Hasan帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(dú)立于復(fù)雜的光學(xué)元件或空腔。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，它是迄今為止設(shè)計(jì)的小的光譜儀。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(kāi)展分解太陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡的折射后可觀察到不同色彩，該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wú)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(cè)元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀檢測(cè)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(tuán)隊(duì)與來(lái)自中國(guó)、英國(guó)以及芬蘭的研究機(jī)構(gòu)合作，成功開(kāi)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(xì)的半導(dǎo)體納米線組成，其大小僅為市面上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(cè)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(cè)器陣列，巧妙地利用各個(gè)探測(cè)器對(duì)不同顏色光具有不同響應(yīng)的特性，通過(guò)逆問(wèn)題的求解，從響應(yīng)函數(shù)方程組中重構(gòu)出所需要測(cè)量的光譜信息。
論文的作者，劍橋大學(xué)石墨烯中心的中國(guó)留學(xué)生楊宗銀博士介紹說(shuō)：“我們沿長(zhǎng)度方向?qū){米線的組分進(jìn)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(shí)驗(yàn)中的七彩色，沿著這個(gè)思路我們開(kāi)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(shí)用相機(jī)拍照的時(shí)候，每個(gè)像素點(diǎn)只包含了紅、綠、藍(lán)三種顏色信息，而這種光譜儀可以讓每個(gè)像素點(diǎn)記錄下幾十或者上百種譜線強(qiáng)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(guò)測(cè)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)”，論文的共同作者Tom Albrow-Owen博士補(bǔ)充道。
“我們的微型光譜儀與廣泛使用的手機(jī)攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，可設(shè)計(jì)成緊湊式光譜儀模塊使手機(jī)具備光譜探測(cè)能力，方便在生活中測(cè)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(cè)技術(shù)有望走進(jìn)大眾日常生活中”，團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Tawfique Hasan博士說(shuō)道。
研究人員表示，他們正為該技術(shù)申請(qǐng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，希望在該光譜儀基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀。
原標(biāo)題：用納米線取代牛頓玻璃棱鏡將光譜儀縮小1000倍
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