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NASA和MIT致力于小体积量子点光谱仪研究

导读: 目前,美国宇航局(NASA)和麻省理工学院(MIT)正在展开相关合作研究,计划将在立方星CubeSat上首次启用这套系统。

如果基于量子点波长“滤波器”的原型机能够研制成功,将大大减小空间应用中使用的光谱仪的体积。

目前,美国宇航局(NASA)和麻省理工学院(MIT)正在展开相关合作研究,计划将在立方星CubeSat上首次启用这套系统。

小型化

光谱仪作为探测设备,几乎搭载在所有的航天器上来完成空间任务。NASA希望采用量子点技术来改变现有光谱仪的构建以及集成方式,同时实现成本的大幅降低。

此项目由NASA戈达德太空飞行中心Mahmooda Sultana以及麻省理工学院化学教授Moungi Bawendi领导的研究小组共同合作,由支持高风险技术研发的美国航天局创新中心基金资助。

Bawendi教授的研究团队从20世纪90年代初便率先开始了量子点技术的研究,并开发了光伏、生物以及微流体方面的应用。同时,量子点技术也开始对消费电子产业产生重大影响,许多电视机厂商正着手采用新技术以提高LCD的显示质量。

首席研究员Mahmooda Sultana

Sultana教授表示,该方法能够实现天基及其他类型光谱仪的小型化和革命性的发展,尤其是那些应用于无人飞行器和小型卫星上的光谱仪。在给NASA的一份报告中,她表示“量子点技术确实可以简化仪器的集成。”

最初,它可以以吸收光谱的形式工作,代替光学部件的传统结合方式。传统的光谱仪利用光栅、棱镜或干涉滤光片将光分成不同的波长,然后探测产生光谱,而量子点本身就可以实现对光的有效滤波。

量子点对光的吸收或发射取决于它们的直径大小——尺寸越小,量子点吸收的光的波长也将越小——因此原理上,不同尺寸的量子点阵列可以实现相似光学装置的作用。虽然集成光学以及光电子器件的发展使得传统光谱仪已实现小型化,但它们仍然过大。

Sultana解释说:“采用光栅或棱镜等传统光谱仪,光谱分辨率的增加会让分光仪器的光路相应变长,仪器的体积通常会较大。但在量子点光谱仪中,由于量子点可以根据尺寸和形状的不同像滤波片一样来吸收不同波长的光,仪器可以变得超紧凑。换句话说,量子点可以取代传统光谱仪中的光栅、棱镜以及干涉滤光片等光学元件的使用。”

可调谐波长滤波器

理论上,量子点光谱仪可以基于无限数量的不同尺寸的量子点来实现高分辨率。

Sultana表示:“这样就可以产生一个持续可调的、独立的一组吸收滤波器,其中每个像素都是由特定尺寸、形状或成分的量子点组成。我们可以精确控制每个量子点的吸收,或者定制仪器,用高光谱分辨率来观察不同波段。”

目前,Sultana正在开发论证一个对可见光敏感的20×20量子点阵列,用于对太阳光和极光进行成像。原理上,该技术可以扩展到更广的波长范围,从紫外光到中红外光,实现在地球科学、太阳物理学和行星科学等许多空间领域的潜在应用。

NASA报告称,Sultana教授正在为立方体卫星应用开发一个概念仪器,同时麻省理工学院的博士生JasonYoo正在研究一项技术,合成不同前体化学品来创建量子点,并将它们打印到合适的承印物上。Sultana表示:“我们希望最终能将量子点直接打印到探测器像素上。”

虽然该技术目前还处于开发的早期阶段,NASA研究人员也补充表示他们将努力尽快提高技术水平。Sultana表示,将会有几个太空科学任务从这项技术中受益。

责任编辑:TD
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