Исследователи из Кембриджского университета и технологического стартапа GlitterinTech разработали принципиально новый тип оптического спектрометра — прибора, который анализирует состав света для определения химического состава веществ, концентрации растворов и физических свойств материалов. Подробности научной работы были опубликованы в профильном издании Nature Photonics.
Традиционно оптические спектрометры активно применяются в медицине, экологии и промышленном контроле. Однако их миниатюризация всегда требовала компромиссов: уменьшение размеров устройства неизбежно приводило к потере точности, разрешающей способности или сужению рабочего спектрального диапазона. Из-за этого портативные модели долгое время оставались лишь вспомогательными инструментами для базовой идентификации веществ, проигрывая по качеству измерений громоздким лабораторным аналогам.
Революция в архитектуре: «конволюционный» подход
Разработанный учеными прибор получил название «конволюционный спектрометр» (convolutional spectrometer). Его главное отличие от классических систем заключается в способе обработки светового сигнала. В обычных спектрометрах свет либо раскладывается в спектр с помощью дисперсии, либо восстанавливается сложными математическими алгоритмами после фиксации данных. Новинка же выполняет операцию свёртки (convolution) непосредственно в оптическом тракте.
Фактически, преобразование сигнала происходит не в программном коде, а физически — внутри самой оптической системы. Этого удалось достичь за счет использования последовательности фотонных компонентов с периодической спектральной характеристикой, в состав которых входят микрокольцевые резонаторы и интерферометры Маха–Цендера. Для восстановления итогового спектра исследователи применяют быстрое преобразование Фурье (FFT), что позволяет свести вычислительную нагрузку к минимуму при высокой устойчивости к помехам.
По словам одного из авторов проекта Чуньхуэй Яо (Chunhui Yao), именно физическая реализация математической структуры задачи позволила достичь лабораторной точности при крайне малых габаритах устройства.
Характеристики и возможности
Устройство создано на платформе фотонной интеграции на базе нитрида кремния. Спектрометр работает в ближнем инфракрасном диапазоне от 1200 до 1700 нм. Система обладает высокой скоростью работы, выполняя замеры менее чем за одну секунду. Благодаря модульной архитектуре, диапазон и разрешение прибора могут масштабироваться добавлением дополнительных каскадов.
Эффективность новой разработки подтверждена экспериментально:
- Материалы и продукты: устройство безошибочно (с точностью до 100%) классифицировало образцы пластика, муки, чая, кофе и фармацевтических препаратов.
- Лабораторные показатели: точность измерения концентрации растворов составила порядка 0,01%, что превосходит параметры многих стационарных лабораторных систем.
- Биомедицина: прибор успешно показал себя в неинвазивном мониторинге организма, отслеживая уровень глюкозы, лактата, содержание алкоголя в крови и влажность кожи в режиме реального времени.
Перспективы внедрения
Разработчики подчеркивают, что при стоимости производства около $10 устройство обладает высокой термостойкостью, сохраняя работоспособность в диапазоне от -20 до +80 °C. Такая стабильность делает его идеальным кандидатом для внедрения в носимую электронику, экологические датчики и системы промышленного контроля.
Профессор Ричард Пенти (Richard Penty), курировавший создание фотонной архитектуры, отметил, что объединение компактности и лабораторной точности открывает путь к массовому производству. Потенциально это может навсегда изменить практику спектроскопии, превратив громоздкие приборы в компактные модули для повседневного мониторинга состояния здоровья или анализа качества продуктов.
