Uso de “ruido” para hacer que los espectrómetros sean más precisos

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Los espectrómetros ópticos son instrumentos con una amplia variedad de usos. Al medir la intensidad de la luz en diferentes longitudes de onda, se pueden usar para obtener imágenes de tejidos o medir la composición química de todo, desde una galaxia distante hasta una hoja. Ahora, los investigadores del Departamento de Ingeniería Biomédica de UC Davis han desarrollado un método nuevo y rápido para caracterizar y calibrar espectrómetros, basado en cómo responden al “ruido”.

Representación de prisma y espectro

La espectroscopia óptica divide la luz y mide la intensidad de diferentes longitudes de onda. Es una técnica poderosa en una amplia gama de aplicaciones. Los ingenieros de UC Davis, Aaron Kho y Vivek Srinivasan, han encontrado una nueva forma de caracterizar y calibrar de forma cruzada los instrumentos de espectroscopia utilizando un exceso de “ruido” en una señal luminosa. (Imágenes falsas)

La resolución espectral mide qué tan bien un espectrómetro puede distinguir la luz de diferentes longitudes de onda. También es importante poder calibrar el espectrómetro para que diferentes instrumentos proporcionen resultados consistentes y confiables. Los métodos actuales para caracterizar y calibrar espectrómetros son relativamente lentos y engorrosos. Por ejemplo, para medir cómo responde el espectrómetro a diferentes longitudes de onda, iluminaría varios láseres de diferentes longitudes de onda.

Por lo general, se considera que el ruido es una molestia que confunde las mediciones. Pero el estudiante graduado Aaron Kho, que trabaja con Vivek Srinivasan, profesor asociado de ingeniería biomédica y oftalmología, se dio cuenta de que el exceso de ruido en la luz de banda ancha y de múltiples longitudes de onda también podría tener un propósito útil y reemplazar todos esos láseres individuales.

“La respuesta del espectrómetro al ruido se puede utilizar para inferir la respuesta del espectrómetro a una señal real”, dijo Srinivasan. Eso es porque el exceso de ruido le da a cada canal del espectro una firma única.

Calibración más rápida y precisa

En lugar de usar muchos láseres de una sola longitud de onda para medir la respuesta del espectrómetro en cada longitud de onda, el nuevo enfoque usa solo las fluctuaciones de ruido que están presentes naturalmente en una fuente de luz con muchas longitudes de onda. De esta forma, es posible evaluar el rendimiento del espectrómetro en tan solo unos segundos. El equipo también demostró que podían utilizar un enfoque similar para realizar una calibración cruzada de dos espectrómetros diferentes.

Kho y Srinivasan utilizaron el método de exceso de ruido en la tomografía de coherencia óptica (OCT), una técnica para obtener imágenes de tejido ocular vivo. Al aumentar la resolución de OCT, pudieron descubrir una nueva capa en la retina del ratón.

La técnica de exceso de ruido tiene similitudes con el moteado láser, dijo Kho. El moteado, patrones granulares que se forman cuando los láseres se reflejan en las superficies, originalmente se consideraba una molestia, pero resulta ser útil en la obtención de imágenes al proporcionar información adicional, como el flujo sanguíneo.

“De manera similar, descubrimos que el exceso de ruido también puede ser útil”, dijo.

Estos nuevos enfoques para la caracterización y la calibración cruzada mejorarán el rigor y la reproducibilidad de los datos en los muchos campos que usan espectrómetros, dijo Srinivasan, y la idea de que el exceso de ruido puede ser útil podría conducir al descubrimiento de otras aplicaciones.

Referencia: Kho AM, Zhang T, Zhu J y col. El exceso de ruido incoherente codifica espectralmente las fuentes de luz de banda ancha. Light Sci. Apl. 2020; 9 (172). doi:10.1038 / s41377-020-00404-6

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