美国科研人员研发出基于太赫兹量子级联激光器的芯片级双光学频率梳的高光谱成像系统

   日期:2019-08-07     浏览:39    
核心提示:近日,美国科研人员研发出基于太赫兹量子级联激光器的芯片级双光学频率梳的高光谱成像系统。
  近日,美研人员研发出基于太赫兹量子级联激光器的芯片级双光学频率梳的高光谱成像系统。
 
  激光器不仅体积小还高效,与微型芯片组装。就可以检测药物中的分子或对患者皮肤中的组织进行分类。与太赫兹成像系统相比,该微型芯片低成本高效率。成像速度极快。将来有望用于药品生产线的实时质量监控。
 
  双光学频率梳高光谱成像技术可与新型室温激光器很好地配合使用,将来可开启更多的应用领域。
 
  光学频率梳
 
  光学频率梳(OFC)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。随着光通信技术的飞速发展,OFC由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注。
 
  光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列,在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络,其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子,形象化的称之光学波段的频率梳,简称"光梳"。光梳相当于一个光学频率综合发生器,是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具。
 
  飞秒光学频率梳的诞生
 
  在该领域内,开展开创性工作的两位科学家J.Hall和T.W.Hnsch于2005年获得了诺贝尔奖。原理上,光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列,在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络,其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子,形象化的称之光学波段的频率梳,简称"光梳"。光梳相当于一个光学频率综合发生器,是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具,可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来,为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体,也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具,逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。
 
  获得光梳的关键首先是实现稳定的超短脉冲输出,其次是实现对该超短脉冲序列在时域及频域的精密控制,即对超短脉冲的载波包络相位和激光脉冲重复频率的控制。早期的光梳光源都是基于传统的钛宝石飞秒激光器构建而成。美国天体物理联合实验室J.Hall教授等人首次利用自参考f-2f技术实现了载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器,这标志着飞秒光学频率梳的诞生。
 
  光学频率梳的优点
 
  光纤激光器具有优异的稳定性、结构紧凑、价格合理,且易于维护,解决了超短脉冲在用户层面的窘境。光纤激光器作为第三代激光技术的代表,在科学研究及工业加工等应用领域具有诸多明显优势:光纤波导制造成本低;光纤的柔性及可缠绕性有利于实现激光器的小型化和模块化;光纤无需激光晶体那样严格的模式匹配或相位匹配;光纤激光器内部仅有较少或者几乎没有光学镜片,稳定性极佳;光纤激光器全封闭的光路结构能胜任恶劣的工作环境,对冲击震荡、湿度温度、灰尘颗粒具有较高的容忍度;此外,光纤激光器具有较高的电光效率,电光效率可达20%以上,显著节约了激光器的运行成本。
 
  光纤的另一主要优势就是,通过选用各种掺杂的有源光纤和不同色散量及模场直径传输光纤,光纤光源可以实现相比钛宝石光源更宽光谱范围的激光输出,如1030nm波段的掺镱光纤激光非线性展宽后可覆盖600-1400nm,1560nm波段的掺铒光纤激光非线性展宽后可覆盖1000-2200nm,2.0μm波段的掺铥光纤激光非线性展宽后可覆盖1350-2700nm。
 
  超短脉冲光纤激光器及光纤光梳的产品化是光纤激光技术发展的源动力。国外早在1990年就开始了超短脉冲光纤激光器产品化的探索工作,并涌现出如IMRA、Calmar、Fiannium、Menlosystems、Toptica等著名公司。近年,在我国政府的引导下,科研领域的成果加速了成果转化,一些高科技含量的超短脉冲光纤激光技术公司及产品陆续涌现,如上海朗研光电科技有限公司780nm、1064nm、1550nm等系列波长的超短脉冲激光器。
 
  太赫兹成像系统
 
  太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10THz(波长为3000~30μm)范围内的电磁波,在长波段与毫米波相重合,在短波段与红外光相重合,是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区,称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THzgap)”。
 
  应用
 
  太赫兹(THz)波的波段能够覆盖半导体、等离子体,有机体和生物大分子等物质的特征谱;利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。THz技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。因此,THz研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。
 
  太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;它可以对物质集团进行功能成像,获得物质内部的折射率分布。已经被广泛应用于安全检查,因为不同的化学物质,不同程度地吸收不同频率的太赫兹辐射,表现出独特的频率特征。同样,太赫兹还可以区分墨水和白纸,而X光却做不到。
 
  发展前景
 
  太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。
 
  高光谱成像技术
 
  所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割,不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别,而是在光谱维度上也有N个通道,例如:我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此,通过高光谱设备获取到的是一个数据立方,不仅有图像的信息,并且在光谱维度上进行展开,结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据,还可以获得任一个谱段的影像信息。
 
  高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术,它将成像技术与光谱技术相结合,探测目标的二维几何空间及一维光谱信息,获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。目前高光谱成像技术发展迅速,常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。
 
  优势
 
  随着高光谱成像的光谱分辨率的提高,其探测能力也有所增强。因此,与全色和多光谱成像相比较,高光谱成像有以下显著优势。
 
  (1)有着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像在经过光谱反射率重建后,能获取与被探测物近似的连续的光谱反射率曲线,与它的实测值相匹配,将实验室中被探测物光谱分析模型应用到成像过程中。
 
  (2)对于地表覆盖的探测和识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱吸收特征的物质,能准确的区分地表植被覆盖类型,道路地面的材料等。
 
  (3)地形要素分类识别方法是多种多样的。影像分类既可以采用如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机的模式识别方法,也可以采用基于被探测物的光谱数据库的光谱进行匹配的方法。分类识别特征是既可以采用光谱诊断特征,也可以采用特征选择与提取。
 
  (4)地形要素的定量和半定量分类识别将成为可能。在高光谱影像中能估计出多种被探测物的状态参量,大大的提高了成像高定量分析的精度和可靠性。
 
  应用
 
  食品安全
 
  高光谱成像技术融合了传统的成像和光谱技术的优点,可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息,因此该技术既可以像检测物体的外部品质,又可以像光谱技术一样检测物体的内部品质和品质安全。目前,已经有大量的基于高光谱成像技术检测水果和蔬菜品质与安全的研究性论文发表。
 
  医学诊断
 
  高光谱成像是一个新兴的,非破坏性的,先进的光学技术,它具有光谱和成像的双重功能,这种双重功能使得高光谱成像能够同时提供实验对象的化学和物理特征,并具有良好的空间分辨率。高光谱成像作为一种特殊光学诊断技术,具有成像系统多样化、研究对象广泛化、临床诊断实用化和分析方法功能化等特征,具有原位实时活体诊断疾病(特别是肿瘤)的潜力,临床应用前景广阔,值得深入研究。
 
  航天领域
 
  根据目前公开的信息可以认为航天高光谱成像仪将进入新一轮发展。在仪器性能方面民用高光谱成像仪主要通过扩大幅宽提高灵敏度等措施来满足地球科学等应用需求;军用高光谱成像仪将在空间分辨率谱段覆盖和信息实时处理能力方面进一步发展。根据现有能力和水平国内发展空间分辨率30m左右幅宽大于60km的航天高光谱成像系统的条件已经基本具备,这样的技术指标已经能够满足矿产调查环境监测和农林估产等需求并具有一定的先进性。
 
  
 
日期: 2019-08-07
标签: 美国 美国科研 科研 科研人
 
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