I ricercatori hanno utilizzato il loro nuovo approccio di imaging diretto a doppio pettine iperspettrale per acquisire immagini iperspettrali del gas di ammoniaca che fuoriesce da una bottiglia. L'immagine a sinistra mostra una fotografia della scena mentre l'immagine a destra mostra una mappa della trasmittanza dell'ammoniaca estratta da un singolo interferogramma. L'inserto mostra la risposta spettrale misurata dal sistema in corrispondenza di un particolare pixel. Credito:Pedro Martín-Mateos, Universidad Carlos III de Madrid
Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica analitica avanzata nota come spettroscopia a doppio pettine per acquisire rapidamente immagini iperspettrali estremamente dettagliate. Acquisendo uno spettro completo di informazioni per ogni pixel in una scena con elevata sensibilità e velocità, il nuovo approccio potrebbe far avanzare notevolmente un'ampia gamma di applicazioni scientifiche e industriali come l'analisi chimica e il rilevamento biomedico.
"La spettroscopia a doppio pettine ha rivoluzionato la spettroscopia ottica fornendo una risoluzione e un'accuratezza spettrali senza pari, nonché brevi tempi di acquisizione senza parti in movimento, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Pedro Martín-Mateos dell'Universidad Carlos III de Madrid, in Spagna. "Il nostro nuovo approccio diretto all'imaging a doppio pettine iperspettrale consentirà di espandere la maggior parte delle capacità di rilevamento dei punti degli attuali sistemi a doppio pettine per creare un'immagine spettrale di un'intera scena".
La spettroscopia a doppio pettine utilizza due sorgenti ottiche, noti come pettini di frequenza ottica, che emettono uno spettro di colori, o frequenze, perfettamente distanziati come i denti di un pettine. Come riportato in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, questa è la prima volta che uno spettro dual-comb viene rilevato direttamente utilizzando una videocamera.
"Dimostriamo l'interrogazione spettrale di un oggetto 2-D in appena un secondo, più di tre ordini di grandezza più veloce delle precedenti manifestazioni, " ha affermato Martín-Mateos. "Questo tempo di acquisizione rapido consente l'imaging iperspettrale a doppio pettine di processi veloci o dinamici, cosa che prima non era possibile".
Sebbene il lavoro sia stato eseguito utilizzando lunghezze d'onda del vicino infrarosso, i ricercatori affermano che il concetto può essere facilmente trasferito a una varietà di regioni spettrali, ampliando il numero delle possibili applicazioni.
In particolare, espandere l'approccio alle regioni spettrali delle onde terahertz e millimetriche aprirebbe molte nuove opportunità per i test non distruttivi e l'ispezione dei prodotti negli alimenti, industrie agricole e farmaceutiche. Nelle regioni del medio infrarosso e del vicino infrarosso potrebbe anche migliorare le prestazioni dell'imaging chimico, Tecnologie di mappatura 3D e topografia di superficie.
Il team di ricerca viene mostrato con la configurazione ottica per il loro nuovo approccio di imaging diretto iperspettrale a doppio pettine. Il metodo espande le capacità di rilevamento del punto degli attuali sistemi a doppio pettine per creare un'immagine spettrale di un'intera scena. Credito:Pedro Martín-Mateos, Universidad Carlos III de Madrid
Rilevamento frequenza video
Gli spettrometri a doppio pettine funzionano interferendo con la luce proveniente da due pettini di frequenza ottica strettamente abbinati. Questo processo di miscelazione genera un segnale noto come interferogramma a velocità che sono tipicamente nell'ordine delle decine di megahertz (milioni di volte al secondo), troppo veloce per catturare anche con le videocamere ad alta velocità più veloci.
"Abbiamo allungato gli interferogrammi generati dal nostro sistema fino a un secondo per consentire di rilevare il segnale di interferenza del doppio pettine utilizzando una videocamera, " ha spiegato Martín-Mateos. "Questo permette l'analisi spettrale di un'intera scena, invece di un punto".
Per fare ciò i ricercatori hanno costruito un sistema basato su una sorgente elettro-ottica a doppio pettine molto semplice composta principalmente da componenti in fibra ottica. L'uso di due modulatori acusto-ottici consente loro di compensare i pettini ottici di una frequenza arbitrariamente bassa, per creare interferogrammi ultra lenti.
I ricercatori hanno utilizzato il nuovo metodo per acquisire immagini iperspettrali del gas di ammoniaca che fuoriesce da una bottiglia. Hanno raggiunto una risoluzione ottica di 1 GHz (0,0033 cm-1) a velocità video di 25 fotogrammi al secondo, con ogni fotogramma contenente 327, 680 misurazioni spettrali individuali. Secondo i ricercatori, la risoluzione raggiunta consente una facile distinzione tra i diversi gas ed è 100 volte migliore rispetto alle attuali apparecchiature commerciali.
"Questo ci permette, Per esempio, per identificare e distinguere facilmente i diversi gas. La risoluzione dimostrata in questa prima dimostrazione sperimentale è di due ordini di grandezza migliore di quella delle attuali apparecchiature commerciali.
"La semplicità è uno dei principali punti di forza del sistema, " ha detto Martín-Mateos. "Ha funzionato perfettamente e potrebbe essere implementato in qualsiasi laboratorio di ottica."
L'opera fa parte di un progetto più ampio finanziato dall'iniziativa ATTRACT (Horizon 2020), che mira a sviluppare un sistema di imaging iperspettrale veloce che utilizza la regione terahertz dello spettro elettromagnetico per l'ispezione, controllo qualità e classificazione dei prodotti agroalimentari. I ricercatori stanno ora lavorando per sviluppare una sorgente a doppio pettine terahertz per dimostrare il metodo in questa regione spettrale.
