Pela primeira vez, os pesquisadores usaram uma técnica analítica avançada conhecida como espectroscopia de pente duplo para adquirir rapidamente imagens hiperespectrais extremamente detalhadas. Ao adquirir um espectro completo de informações para cada pixel em uma cena com alta sensibilidade e velocidade, a nova abordagem pode promover um grande avanço em uma ampla gama de aplicações científicas e industriais, como análise química e sensoriamento biomédico.

"A espectroscopia de pente duplo revolucionou a espectroscopia óptica ao fornecer resolução e precisão espectral incomparáveis, bem como tempos de aquisição curtos sem partes móveis, "disse o líder da equipe de pesquisa Pedro Martín-Mateos, da Universidad Carlos III de Madrid, na Espanha. "Nossa nova abordagem de imagem hiperespectral direta de pente duplo tornará possível expandir a maioria das capacidades de detecção de pontos dos sistemas atuais de pente duplo para criar uma imagem espectral de uma cena inteira."

A espectroscopia de pente duplo usa duas fontes ópticas, conhecidos como pentes de frequência óptica, que emitem um espectro de cores - ou frequências - perfeitamente espaçadas como os dentes de um pente. Conforme relatado em Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, esta é a primeira vez que um espectro dual-comb foi detectado diretamente usando uma câmera de vídeo.

"Demonstramos a interrogação espectral de um objeto 2-D em apenas um segundo, mais de três ordens de magnitude mais rápido do que as demonstrações anteriores, "disse Martín-Mateos." Este tempo de aquisição rápido permite a imagem hiperespectral dual-comb de processos rápidos ou dinâmicos, o que não era possível antes. "

Embora o trabalho tenha sido realizado usando comprimentos de onda do infravermelho próximo, os pesquisadores dizem que o conceito pode ser facilmente transferido para uma variedade de regiões espectrais, ampliando o número de aplicações possíveis.

Em particular, expandir a abordagem para as regiões espectrais de onda terahertz e milimétrica abriria muitas novas oportunidades para testes não destrutivos e inspeção de produtos nos alimentos, indústrias agrícolas e farmacêuticas. Nas regiões do infravermelho médio e próximo ao infravermelho, também pode melhorar o desempenho da imagem química, Mapeamento 3D e tecnologias de topografia de superfície.

Detecção de taxa de vídeo

Os espectrômetros de pente duplo funcionam interferindo na luz de dois pentes de frequência óptica muito próximos. Este processo de mistura gera um sinal conhecido como interferograma a taxas que estão normalmente na casa das dezenas de megahertz (milhões de vezes por segundo), rápido demais para capturar até mesmo com as câmeras de vídeo de alta velocidade mais rápidas.

"Esticamos os interferogramas gerados por nosso sistema em até um segundo para possibilitar a detecção do sinal de interferência dual-comb usando uma câmera de vídeo, "explicou Martín-Mateos." Isso permite a análise espectral de uma cena inteira, em vez de apenas um ponto. "

Para fazer isso, os pesquisadores construíram um sistema baseado em uma fonte eletro-óptica dual-comb muito simples feita principalmente de componentes de fibra óptica. O uso de dois moduladores acústico-ópticos permite que eles compensem os pentes ópticos por uma frequência arbitrariamente baixa, para criar interferogramas ultralentos.

Os pesquisadores usaram o novo método para adquirir imagens hiperespectrais de gás amônia escapando de uma garrafa. Eles alcançaram uma resolução óptica de 1 GHz (0,0033 cm-1) a taxas de vídeo de 25 quadros por segundo, com cada quadro contendo 327, 680 medições espectrais individuais. De acordo com os pesquisadores, a resolução que alcançaram permite fácil distinção entre diferentes gases e é 100 vezes melhor do que o equipamento comercial atual.

"Isso nos permite, por exemplo, para identificar e distinguir facilmente entre diferentes gases. A resolução demonstrada nesta primeira demonstração experimental é duas ordens de magnitude melhor do que a do equipamento comercial atual.

“A simplicidade é um dos principais pontos fortes do sistema, "disse Martín-Mateos." Funcionou perfeitamente e pode ser implementado em qualquer laboratório de óptica. "

O trabalho faz parte de um projeto maior financiado pela iniciativa ATTRACT (Horizonte 2020), que visa desenvolver um sistema de imagem hiperespectral rápido que usa a região terahertz do espectro eletromagnético para inspeção, controle de qualidade e classificação de produtos agrícolas e alimentícios. Os pesquisadores agora estão trabalhando para desenvolver uma fonte de pente duplo terahertz para demonstrar o método nesta região espectral.