В тысячу раз меньше обычного: инженеры создали компактный спектрометр
Американские инженеры создали крошечный спектрометр примерно в тысячу раз компактнее традиционных. По своим параметрам он не уступает более крупным аналогам и даже наоборот – превосходит их благодаря своей невероятной точности и детализации. Как отмечают создатели технологии, она сможет использоваться не только для астрономических наблюдений, но и в других сферах, таких как медицина.
Спектрометр – это оптический прибор, принцип работы которого основан на накоплении, обработке и анализе спектра излучения. Он получает информацию о составе измеряемых объектов, разделяя световые волны на отдельные цвета. Так, белый свет, направленный в спектрометр, на выходе будет разделен на красный, зеленый, желтый и синий.
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе разработали спектрометр нового поколения. Он отличается малыми размерами и высокой производительностью, способен измерять излучение с длиной волны до 0,05 нанометров – примерно в 1,6 млн раз тоньше, чем человеческий волос. Подобное разрешение ранее могло быть достигнуто только на устройствах в 1000 раз больше по размеру. Еще одно из преимуществ разработки – достаточно низкая стоимость производства по сравнению с аналогами.
В основе прибора – алгоритм машинного обучения, который использует метод «реконструктивной» спектрометрии. Искусственный интеллект (ИИ) считывает излучение, создаваемое различными длинами волн света, и создает на основе полученных данных изображения с чрезвычайно высокой точностью.
Такой подход наиболее эффективен, поскольку алгоритмы машинного обучения способны распознавать световые модели даже при наличии незначительных погрешностей во входных данных. Более того, они могут постоянно улучшать свою производительность и оптимизировать работу. Как отмечают инженеры, их новая разработка благодаря своей высокой точности позволит астрономам подробнее исследовать состав атмосфер далеких планет или изучить свойства темной материи в небольших галактиках.
Само устройство представляет собой миниатюрный мощный волновод, который монтируется на чипе, изготовленном из простых и недорогих материалов. Благодаря своим миниатюрным размерам, производство компонентов занимает всего несколько часов, а не долгие недели.
Поскольку производство таких приборов доступно по цене, астрономы смогут адаптировать их под свои конкретные исследовательские задачи, что было бы невозможно при использовании более дорогостоящих инструментов стоимостью в миллионы долларов. Ученые считают, что созданное ими оборудование также может применяться в других сферах, например в медицине – для выявления онкологических или инфекционных заболеваний.
В перспективе авторы разработки намерены создать технологию анализа комбинационного рассеивания света. Этот метод позволяет обнаруживать уникальные молекулы и часто используется для поиска определенных химических веществ – например, присутствия тех или иных препаратов в организме человека или токсичных веществ в окружающей среде. Поскольку система достаточно проста и не требует использования сложных устройств или гидравлических систем, использовать ее будет удобно в полевых условиях.
Для усиления производительности, компактные спектрометры могут работать в связке. Таким образом, каждый чип сможет измерять различные спектры и предоставлять больше информации об излучении, которое он наблюдает. По словам исследователей, одновременно можно было бы использовать сотни микросхем. В дальнейшем они планируют продолжить работать над повышением чувствительности прибора, а также получением более высокого спектрального разрешения.
