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研究人员将先进的光谱技术与视频速率成像相结合
发布时间:2020-03-23 20:50:33 阅读:57

来源:马德里卡洛斯三世大学;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 邱杰夫 编译


研究人员使用他们新的直接高光谱双梳成像方法来获取从瓶中逸出的氨气的高光谱图像。左图是场景的照片,右图是从单个干涉图中提取的氨透过率的图。插图显示了系统在特定像素点测得的光谱响应。
图片来源:Pedro Martín-Mateos, Universidad Carlos III de Madrid

    研究人员第一次使用了一种被称为双梳光谱的先进分析技术来快速获取特别详细的高光谱图像。这种方法能在全范围以高灵敏度高速的采集场景中每个像素的信息,这种新方法可以极大地推动广泛的科学和工业应用,例如化学分析和生物医学传感。

    西班牙马德里卡洛斯三世大学(Universidad Carlos III de Madrid)的研究小组负责人Pedro Martín-Mateos说:“双梳光谱技术通过提供无与伦比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,彻底改变了光谱学。我们新的直接高光谱双梳成像方法将有可能扩展到当前大多数的双梳系统的点检测功能上,用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,这些光源发出的光谱(或频率)的频率像梳子上的齿一样完全隔开。正如光学学会高影响力研究期刊Optica所报道的那样,这是第一次使用摄像机直接检测到双梳状光谱。

    Martín-Mateos说:“我们在短短一秒钟内就演示了二维物体的光谱查询,比以前的演示快了三个数量级。这么快速的采集时间可以实现动态过程中的快速双梳高光谱成像,这是以前不可能做到的。”

    虽然这项工作是在近红外波长下完成的,但研究人员表示,该概念可以轻松地转移到各种光谱区域,扩大了可能的应用范围。

    特别是将该方法扩展到太赫兹和毫米波光谱区域将为食品、农业和制药等行业的无损检测和产品检验带来许多新的机会。在中红外和近红外区域,它还可以增强化学成像、3-D制图和表面形貌技术的性能。

该研究团队展示了其新的直接高光谱双梳成像方法的光学装置。该方法增强了当前双梳系统的点检测能力,更快的创建整个场景的光谱图像。
图片来源:Pedro Martín-Mateos, Universidad Carlos III de Madrid

    视频速率检测

    双梳状光谱仪依靠两个紧密匹配的光学频率梳产生的干扰光来工作。这种混合过程产生信号的称为干涉,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。

    Martín-Mateos解释说:“我们将系统生成的干涉延长到一秒,从而可以使用摄像机检测双梳状干涉信号。这允许我们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主要由光纤元件组成的简单的电光双梳源的系统。通过使用两个声光调制器使光学梳偏移一个任意低频,从而产生超慢的干涉。

    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-1)的光学分辨率,每帧包含327,680个单独的光谱测量值。据研究人员称,他们得到的分辨率可以轻松的区分不同的气体,并且比目前的商用设备效果好100倍。

    “例如,我们能够轻松地识别和区分不同的气体。在第一个实验演示中展示的分辨率比当前的商用设备高出两个数量级。”

    Martín-Mateos说:“简单是该系统的主要优势之一。它可以完美地在任何光学实验室中发挥作用。”

    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在太赫兹频段的快速的高光谱成像系统,用于检查、质量控制以及农产品和食品的分类等。研究人员现正在努力开发太赫兹双梳光源,使该方法能在太赫兹频谱内演示。

 
 

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