科學(xué)家研發(fā)等離子體“彩虹”芯片級(jí)智能光譜儀 可實(shí)現(xiàn)雙功能光譜檢測(cè)
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】光譜儀是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器，由棱鏡或衍射光柵等構(gòu)成，通過光譜儀對(duì)光信息的抓取、以照相底片顯影，或電腦化自動(dòng)顯示數(shù)值儀器顯示和分析，從而測(cè)知物品中含有何種元素。
光譜學(xué)是基礎(chǔ)研究和工業(yè)過程中使用最廣泛的技術(shù)之一。然而，臺(tái)式光譜系統(tǒng)通常體積龐大、價(jià)格昂貴，并且主要設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)光譜分析。近年來，研究人員一直致力于開發(fā)小型化、便攜式和廉價(jià)的光譜儀系統(tǒng)，以便于在日常生活中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場、實(shí)時(shí)和原位光譜分析等新興應(yīng)用。然而，由于過于簡化的光學(xué)設(shè)計(jì)和緊湊結(jié)構(gòu)的機(jī)械限制，小型化光譜儀系統(tǒng)的實(shí)際光譜識(shí)別性能通常比它們的臺(tái)式對(duì)應(yīng)物低得多。
近日，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校與沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種緊湊型等離子體“彩虹(rainbow)”芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的雙功能傳感，在選定的條件下，其性能可超越傳統(tǒng)的便攜式光譜儀。
研究人員提出了基于深度學(xué)習(xí)的智能彩虹等離子體光譜儀概念，并構(gòu)建了帶有等離子體啁啾光柵的光譜儀示例。智能光譜儀主要由三部分構(gòu)成：空間模式、預(yù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)應(yīng)的波長。該光譜儀利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了所測(cè)量的共振模式圖像中的未知入射光光譜，而無需使用傳統(tǒng)的線性響應(yīng)函數(shù)模型。
該緊湊型等離子體光譜儀利用普通相機(jī)拍攝的單幅圖像，即可精確地獲得照明光源光譜的光譜信息和偏振信息。在經(jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)算法的輔助下，研究人員僅用單幅圖像就能表征葡萄糖溶液在可見光光譜范圍內(nèi)的雙峰和三峰窄帶照明下的旋光色散(ORD)特性。該微型光譜儀具有與智能手機(jī)和芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)系統(tǒng)集成的潛力，為原位分析應(yīng)用提供新的可能。
相關(guān)研究成果Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip于近日發(fā)布在國際期刊《自然通訊》(Nature Communications)。
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