創新科技為溫室氣體遠程監測打開新視野

來自巴西的研究人員設計了一種微型光譜儀，可用於無人機、智能手機和其他設備的集成，以檢測化合物和遠程監測溫室氣體。

紅外線傅立葉變換（FTIR）光譜儀是最常用的鑒定和分析化學物質的研究工具，但是其體積過大，不能用於檢測某些化合物。

之前研究人員已經做了一些嘗試來開發小型化紅外線傅立葉變換光譜儀，用於集成無人機以遠程監測溫室氣體，或者集成到智能手機和其他設備中。然而，目前的小型化設備生產成本高。

來自巴西坎皮納斯儀器研究實驗室（LPD-UNIAMP）的科學家與美國加利福尼亞大學聖地亞哥分校的同事合作，通過開發基於硅光子學的紅外線傅立葉變換光譜儀，克服了這些限制。目前用於生產電腦、智能手機和其他電子設備的晶元

該研究是由Mário César Mendes Machado de Souza主持參與以及涉及一個短期的合作項目，論文發表在《自然通訊Nature Communications》雜誌上。Souza是該論文的第一作者。

新型的硅光子學平台可以提供製造出可以非常實用的高性能微型光譜儀，他表示。

根據Souza說明，紅外線傅立葉變換光譜鑒定化學物質使用了紅外線光源的測量吸收。樣品暴露於不同波長的紅外光，光譜儀測量哪些波長被吸收。計算機採用這些原始吸收數據，並進行一種稱為傅立葉變換的數學過程，以產生吸光度圖案或光譜，將其與化合物的光譜庫進行比較以找到匹配。

硅中的光波導的折射率可以通過熱-光效應來「調諧」，這涉及到通過波導上的電流來加熱它。由於該裝置必須在高溫下操作以實現高解析度，所以這種技術在非線性的意義上是非線性的，這與溫度的變化與折射率的不相稱的變化有關。

「在實踐中，當熱光效應應用於基於集成光子學的硅基紅外光譜儀時所產生的變化會在傅立葉變換數學運算用於轉換輻射譜數據時，導致結果完全錯誤。」Souza解釋道。

研究人員克服了這些挑戰，通過建立激光校準方法來量化和校正由硅波導色散和非線性引起的失真。作為概念的證明，他們開發了一種基於標準硅光子製造程序的1毫米紅外線傅立葉變換光譜儀晶元。

該晶元在實驗室中進行測試，產生了0.38兆赫（THz）的寬頻頻譜，這與研究人員在同一波長範圍內工作的攜帶型攜帶型光譜儀的解析度相媲美。「我們開發的設備遠未得到優化，但仍能達到與當今市場上可用的攜帶型自由空間光學光譜儀媲美的解析度。」Souza說。

「研究人員現在計劃設計一種完全與光探測器、光源和光纖集成的裝置。我們的目標是把光源和光譜儀的探測器集成到同一個平台上，」Souza說。

來源：https://phys.org/news/2018-05-horizons-greenhouse-gases-remote.html

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