0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

等离子体彩虹芯片级智能光谱仪可实现光谱+偏振的双功能传感

MEMS ? 来源:MEMS ? 2023-04-12 10:08 ? 次阅读
加入交流群
微信小助手二维码

扫码添加小助手

加入工程师交流群

近年来,研究人员和业内主要厂商已将研发重心转向微型化、便携式且低成本的光谱仪系统,使之可以在日常生活中实现现场、实时和原位光谱分析的许多新兴应用。然而,受到过度简化的光学设计和紧凑型架构的机械限制,微型光谱仪系统的实际光谱识别性能通常远低于台式光谱仪系统。如今,克服这些限制的一种策略便是在光子方法学中引入深度学习(DL)进行数据处理。

据麦姆斯咨询报道,近日,美国纽约州立大学布法罗分校(University at Buffalo,the State University of New York)与沙特阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science & Technology)的联合科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”为主题的论文。该论文第一作者为Dylan Tua,通讯作者为甘巧强(Qiaoqiang Gan)教授。

在这项研究工作中,研究人员开发了一种紧凑型等离子体“彩虹(rainbow)”芯片,能够实现快速、准确的双功能传感,其性能可在特定条件下超越传统的便携式光谱仪。其中的分光纳米结构由一维或二维的梯度金属光栅构成。该紧凑型等离子体光谱仪利用普通相机拍摄的单幅图像,即可精确地获得照明光源光谱的光谱信息和偏振信息。在经过适当训练的深度学习算法的辅助下,研究人员仅用单幅图像就能表征葡萄糖溶液在可见光光谱范围内的双峰和三峰窄带照明下的旋光色散(ORD)特性。该微型光谱仪具有与智能手机和芯片实验室(lab-on-a-chip)系统集成的潜力,为原位分析应用提供新的可能。

研究人员利用彩虹捕获效应(rainbow trapping effect)来开发片上光谱仪系统。图1展示了该研究工作所提出的片上光谱仪和一维彩虹芯片的设计原理。如图1a所示,该光谱仪利用等离子体啁啾光栅实现分光功能。这种表面光栅几何形状的逐渐变化,导致了局部等离子体共振的空间调谐(即为光捕获“彩虹”存储)。如图1b所示,研究人员采用聚焦离子束铣削技术,在300 nm的银(Ag)薄膜上制备了啁啾光栅。当白光垂直入射时,通过简单的反射显微镜系统(如图1c),就可以观察到明显的“彩虹”色图像,如图1d的顶部所示,该现象源于光栅引发的等离子体共振。

65f02220-d895-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图1 片上光谱仪的等离子体啁啾光栅

根据这些空间模式图像,可以建立共振模式与入射波长一一对应的关系,这是片上光谱仪的基础。因此,研究人员探讨了该光谱仪对任意光谱特征的空间分辨能力。通过深度学习辅助的数据处理和重建方法,研究人员利用这种分光功能可以构建用于光学集成的智能化、微型化光谱仪平台。

具体而言,研究人员提出了基于深度学习的智能彩虹等离子体光谱仪概念,并构建了带有等离子体啁啾光栅的光谱仪示例,如图2所示。该光谱仪利用深度神经网络预测了所测量的共振模式图像中的未知入射光光谱,而无需使用传统的线性响应函数模型。实验中的光谱仪架构如图2a所示。智能光谱仪主要由三部分构成:空间模式、预训练神经网络以及对应的波长。

65ffb398-d895-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图2 基于深度学习的数据重建

光谱分辨率是评价传统光谱仪性能的重要参数之一。因此,研究人员对该光谱仪的分辨率做了详细测试,测试结果如图3所示。

6611b5d4-d895-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图3 智能等离子体光谱仪的分辨率

以上初步测试数据表明,智能彩虹芯片光谱仪具有实现高分辨率光谱分析的潜力,其性能可与传统台式光谱仪相媲美。随后,研究人员将一维光栅扩展到二维,以利用紧凑型智能等离子体光谱仪实现偏振光谱的测定,其性能超越了传统的光学光谱仪系统。同时,研究人员展示了等离子体彩虹芯片光谱仪可以引入简化、紧凑且智能的光谱偏振系统,具有准确且快速的光谱分析能力。图4a为具有梯度几何参数的二维光栅。

662456b2-d895-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图4 用于测定偏振光谱的二维啁啾光栅

接着,研究人员利用该二维偏振光谱仪芯片对旋光色散进行了简单而智能的表征。图5a为传统的旋光色散系统测量由物质引起的旋光度随入射波长的函数变化。最后,研究人员展示了将二维光栅作为光谱偏振系统,并介绍了用于葡萄糖传感应用的示例。

663597ec-d895-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图5 更简单、准确且智能的光谱偏振分析

综上所述,本研究中提出了一种集成了片上彩虹捕获效应与紧凑型光学成像系统的智能芯片级光谱仪。研究结果表明,该等离子体芯片可以在可见光光谱(470 nm - 740 nm)范围内区分不同的照明峰值。该芯片充分利用其波长敏感结构,能够根据照明光谱峰值显示不同的等离子体共振模式。随后将芯片扩展到二维结构,共振模式的复杂性增加,从而在入射光偏振方面提供更多信息。通过使用片上共振模式的空间和强度分布图像来训练深度学习算法,研究人员在同一系统内分别实现了光谱分析和偏振分析。

随后,研究人员利用一种将旋光引入透射光的手性物质(即葡萄糖),证明了所提出光谱仪在旋光色散传感方面的可行性,旋光色散是一种有助于手性物质检测和定量的偏振特异性特征。深度学习模型的分析表明,该算法能够基于等离子体芯片的共振模式准确预测葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式时,这种性能也得到了保留。这种由深度学习支持的基于图像的光谱仪能够通过利用纳米光子平台的单幅图像同时进行光谱分析和偏振分析。因此,该光谱仪标志着在单一紧凑型且轻量化设计中实现了高性能的光谱偏振分析,为深度光学和光子学在医疗保健监测、食品安全传感、环境污染检测、药物滥用传感以及法医分析等领域的应用赋能。




审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 等离子体
    +关注

    关注

    0

    文章

    130

    浏览量

    14712
  • 光谱仪
    +关注

    关注

    2

    文章

    1132

    浏览量

    31825
  • 显微镜
    +关注

    关注

    0

    文章

    660

    浏览量

    24491
  • ord
    ord
    +关注

    关注

    0

    文章

    2

    浏览量

    6498

原文标题:等离子体“彩虹”芯片级智能光谱仪,可实现“光谱+偏振”双功能传感

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏
加入交流群
微信小助手二维码

扫码添加小助手

加入工程师交流群

    评论

    相关推荐
    热点推荐

    光纤光谱仪能否用于医疗领域?来看实际案例

    提起“光纤光谱仪”,很多人的第一反应可能是实验室里的科研设备,或者工业检测中的分析工具。事实上,随着光谱技术的不断进步,小型化、智能化的光纤光谱仪,已经逐步走入医疗领域,为疾病诊断、组
    的头像 发表于 08-08 11:48 ?177次阅读

    光纤光谱仪和传统光谱仪有何区别?看完就懂

    ”。 其实,两者的差别,远远不止“加了根光纤”这么简单。 一、什么是传统光谱仪?核心在于“光学台架一体化” 传统光谱仪一般指那类结构一体化、光源、样品室、分光系统、探测器集成在同一主机上的设备。典型例子如紫外
    的头像 发表于 08-05 17:19 ?249次阅读

    等离子体光谱仪(ICP-OES):原理与多领域应用剖析

    等离子体光谱仪(ICP-OES)凭借其高灵敏度、高分辨率以及能够同时测定多种元素的显著特点,在众多领域发挥着关键作用。它以电感耦合等离子体(ICP)作为激发源,将样品原子化、电离并激发至高能级,随后
    的头像 发表于 03-12 13:43 ?1376次阅读
    <b class='flag-5'>等离子体</b><b class='flag-5'>光谱仪</b>(ICP-OES):原理与多领域应用剖析

    什么是微型光谱仪?基础原理与应用领域解析

    光谱分析设备。它利用物质与光的相互作用,将复杂的光信号分解成不同波长的光谱,就像棱镜将白光分解成彩虹一样。通过分析这些光谱信息,我们可以获取物质的成分、结构、浓度等关键信息。 微型
    的头像 发表于 03-06 16:28 ?649次阅读
    什么是微型<b class='flag-5'>光谱仪</b>?基础原理与应用领域解析

    DLP6500FYE怎么通过图案模式软件触发光谱仪

    有人知道怎么通过图案模式软件触发光谱仪吗,光谱仪不能硬件触发,控制光谱仪去单次测量,在特定图片下光谱仪测量。
    发表于 02-24 08:31

    DLP6500外部触发功能可以实现触发光谱仪吗?

    DLP6500 外部触发功能可以实现触发光谱仪吗? 光谱仪的触发接口是下图,希望可以每换一副pattern触发一次
    发表于 02-21 11:25

    光谱仪的工作原理

    光谱仪,又称分光,是一种将含有多种波长光的复合光分解为具体单一光谱线的科学仪器。其工作原理基于光的色散现象,具体过程如下:   一、基本组成   光谱仪的系统结构主要包括
    的头像 发表于 01-28 14:05 ?3220次阅读

    光谱仪的作用和功能

    光谱仪是一种用于分析和测量光的性质和特征的科学仪器,其作用和功能十分广泛,具体如下:
    的头像 发表于 01-28 14:03 ?2668次阅读

    OptiFDTD应用:纳米盘型谐振腔等离子体波导滤波器

    几何谐振腔[3]以及环形谐振腔[4]。 ?MIM波导中,有两种等离子体滤波器,即带通和带阻滤波器。 2D FDTD模拟 ?选择TM偏振波激发SPPs ?应用正弦调制高斯脉冲光来模拟感兴趣的波长 ?输入
    发表于 01-09 08:52

    微波碱熔消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定含包覆碳的磷酸铁锂中的磷、铁、锂

    1实验部分 1.1主要仪器和试剂 仪器:电感耦合等离子体发射光谱仪(上海美析仪器有限公司);微波消解。 试剂:GSBG62001锂、GSBG62020-90铁、GSBG6200-90磷
    的头像 发表于 12-25 13:55 ?463次阅读
    微波碱熔消解-电感耦合<b class='flag-5'>等离子体</b>发射<b class='flag-5'>光谱</b>法测定含包覆碳的磷酸铁锂中的磷、铁、锂

    近红外光谱仪校准方法 近红外光谱仪与紫外光谱仪区别

    近红外光谱仪校准方法 近红外光谱仪(NIR)是一种用于分析物质成分的仪器,它通过测量物质对近红外光的吸收来获取信息。校准是确保光谱仪测量结果准确性的重要步骤。以下是近红外光谱仪校准的一
    的头像 发表于 12-06 10:31 ?1372次阅读

    使用施密特-车尔尼-特纳光谱仪改进光谱

    平面边缘变得更严重,导致一些研究人员放弃了传感器的这些区域。采用Schmidt-Czerny-Turner (SCT) 设计的新型色散光谱仪大大减少了光学像差,使光谱具有更好的光谱分辨
    的头像 发表于 11-06 06:38 ?696次阅读
    使用施密特-车尔尼-特纳<b class='flag-5'>光谱仪</b>改进<b class='flag-5'>光谱</b>

    什么是光纤光谱仪?光纤光谱仪的应用

    在现代科学技术的众多领域中,光纤光谱仪以其独特的性能和广泛的应用成为了不可或缺的工具。那么,究竟什么是光纤光谱仪?它又有哪些令人瞩目的应用呢?让我们一起来深入了解。 一、光纤光谱仪简介 光纤
    的头像 发表于 10-25 17:21 ?1653次阅读
    什么是光纤<b class='flag-5'>光谱仪</b>?光纤<b class='flag-5'>光谱仪</b>的应用

    深度解析LIBS光谱仪

    并形成等离子体,这些等离子体中的激发态原子和离子会辐射出特征光谱线。通过对这些光谱线的分析,就可以确定样品的元素组成及含量。
    的头像 发表于 10-24 19:40 ?1506次阅读
    深度解析LIBS<b class='flag-5'>光谱仪</b>

    什么是电感耦合等离子体,电感耦合等离子体的发明历史

    电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)是一种常用的等离子体源,广泛应用于质谱分析、光谱分析、表面处理等领域。ICP等离子体通过感应耦合方式将
    的头像 发表于 09-14 17:34 ?2253次阅读