Metasurface spectrometers beyond resolution-sensitivity constraints

灵敏度(控制系统) 分光计 分辨率(逻辑) 计算机科学 物理 光学 人工智能 工程类 电子工程
作者
Feng Tang,Jingjun Wu,Tom Albrow‐Owen,Hanxiao Cui,Fujia Chen,Yaqi Shi,Lan Zou,Jun Chen,Xuhan Guo,Yijun Sun,Jikui Luo,Bing‐Feng Ju,Jing Huang,Shuangli Liu,Bo Li,Liming Yang,Eric Anthony Munro,Wanguo Zheng,Hannah J. Joyce,Hongsheng Chen
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2402.18996
摘要

Optical spectroscopy plays an essential role across scientific research and industry for non-contact materials analysis1-3, increasingly through in-situ or portable platforms4-6. However, when considering low-light-level applications, conventional spectrometer designs necessitate a compromise between their resolution and sensitivity7,8, especially as device and detector dimensions are scaled down. Here, we report on a miniaturizable spectrometer platform where light throughput onto the detector is instead enhanced as the resolution is increased. This planar, CMOS-compatible platform is based around metasurface encoders designed to exhibit photonic bound states in the continuum9, where operational range can be altered or extended simply through adjusting geometric parameters. This system can enhance photon collection efficiency by up to two orders of magnitude versus conventional designs; we demonstrate this sensitivity advantage through ultra-low-intensity fluorescent and astrophotonic spectroscopy. This work represents a step forward for the practical utility of spectrometers, affording a route to integrated, chip-based devices that maintain high resolution and SNR without requiring prohibitively long integration times.
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