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用纳米线取代牛顿玻璃棱镜将光谱仪缩小1000倍

仪表产业 2019年09月27日 15:39:00 来源:福建物构所人气:10460
  【仪表网 仪表产业】近日,英国剑桥大学Tawfique Hasan带领的科研团队开发了一种基于单一组成工程纳米线的微型光谱仪,该纳米线独立于复杂的光学元件或空腔。根据研究人员的说法,它是迄今为止设计的最小的光谱仪。相关研究成果“Single nanowire spectrometers”于9月6日发表在Science上(DOI: 10.1126/science.aax8814)。
 
  1666年,牛顿用棱镜开展分解太阳光实验,发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到不同色彩,该实验为光谱仪的诞生播下种子。目前光谱仪在科研和工业生产中应用广泛,大部分光谱仪的工作原理仍和牛顿的实验相似,需要用到棱镜或光栅之类的分光元件。这种光谱仪体积庞大已无法满足日益发展的光谱应用技术需求,但是减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪检测质量显著下降,光谱仪微型化是目前科技界面临的挑战之一。
 
  为此,Tawfique Hasan团队与来自中国、英国以及芬兰的研究机构合作,成功开发出尺寸仅几十微米的光谱仪,该仪器主要由一根比人类头发千分之一还细的半导体纳米线组成,其大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一。他们另辟蹊径,用一种带隙渐变的特殊纳米线替代了传统光谱仪中的分光和探测元件,采用和制作电脑芯片类似的工艺在这种纳米线上加工出了光探测器阵列,巧妙地利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性,通过逆问题的求解,从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。
 
  论文的第一作者,剑桥大学石墨烯中心的中国留学生杨宗银博士介绍说:“我们沿长度方向对纳米线的组分进行了调控,得到的纳米线在荧光显微镜下观察就像一道彩虹,很容易让人联想到牛顿三棱镜实验中的七彩色,沿着这个思路我们开始探索用纳米线替代三棱镜,这样可以把传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度,使这些器件在可穿戴设备等新兴领域中找到应用”。
 
  “我们平时用相机拍照的时候,每个像素点只包含了红、绿、蓝三种颜色信息,而这种光谱仪可以让每个像素点记录下几十或者上百种谱线强度,这样就可以获取到除了色彩之外的其他有用信息,比如通过测量火焰的光可以告诉我们里面发生了哪些化学反应”,论文的共同第一作者Tom Albrow-Owen博士补充道。
 
  “我们的微型光谱仪与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性,可设计成紧凑式光谱仪模块使手机具备光谱探测能力,方便在生活中测量食物、皮肤的光谱信息,从而判断食品安全以及身体健康程度,使得光谱检测技术有望走进大众日常生活中”,团队的负责人Tawfique Hasan博士说道。
 
  研究人员表示,他们正为该技术申请了专利,希望在该光谱仪基础上开发出一系列覆盖紫外到红外的微型光谱仪。
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