Nature Photonics | 一个微米尺度的集成光谱仪

论文概述

      光谱仪是一种可以将光的不同频率区分检测出来的仪器，在科研上广泛用于光谱分析，也应用在从气体检测到自动驾驶等一系列传感、成像和探测方面。因此光谱仪在科研和商用领域都是一个很重要的仪器。

      目前，光谱仪主要分为两大类，第一类见图1，基于光栅分光的光谱仪。主要原理是采用一系列光学器件，如透镜、光阑、反射镜、光栅等。利用光栅对不同频率光的色散能力，将不同频率的光在空间上物理分割，然后利用一个阵列式光电探测器，采集不同位置的光能量就能得到不同频率的光谱强度。基于光栅分光的光谱仪出现较早，原理也较容易理解，但是分辨率受到探测器数量的限制。同时使用一系列光学元件也使得整个光谱仪体积庞大，成本高昂，分析速度受到限制。

      第二类见图2 ，主要利用迈克尔逊干涉仪，利用干涉原理，结合机械运动装置，能够利用探测器将时域信号的波形复现，然后对时域信号进行傅里叶变换可以得到频率的相关信息。基于该原理的光谱仪必须有机械运动装置。虽然得到光谱分辨率较高，但是同样导致体积庞大，采集时间较长，对仪器使用环境也要求较高。

      综合上述信息，一个不方便携带的光谱仪将使其应用场景大大受限，因此，发展一个超小型的光谱仪便成为科研界和产业界的共同目标。近日，来自耶鲁大学的Fengnian Xia等人开发了一种片式光谱仪，其尺度堪比头发丝大小，相关工作最近发表在光学顶级期刊Nature Photonics上。合作者还包括来自以色列和日本的几位研究者。

研究内容

      他们采用黑磷(black phosphorus) 材料构建基础的光电探测器，这也是Xia实验室长期关注和研究的一种材料。其光电响应可以覆盖中红外波长区域，同时可以通过施加电压来调节黑磷的光电响应行为。其原理图见图3，首先基于单个黑磷光电探测器，可以得到一条光谱响应曲线，不同波长对应不同的光电响应。如果想要基于测试的光电流来反推频率成分，那么仅仅一次测量是不够的。比如，先要计算n个频率的成分，那么就需要采集n次，然后构建一个n阶线性方程组，这样的方程组就可以反解出n个光谱频率。而如何得到这样n次测量的结果呢？本文研究者采用了施加电位移来改变黑磷材料的光谱响应，如图3a所示，施加n个不同的电位移值，就可以得到n条不同的光谱响应曲线，这便对应于n个不同的方程。从而可以得到如图3b所示的光谱响应矩阵，之后，再遇到未知的光谱，就可以根据测得的光电流和已知的响应矩阵，来反推未知的光谱成分，如图3c,d所示。

      图4是他们采用的数学原理，可以更为直观的理解这种方法。未知的光谱成分就是[P]矩阵，已知[R]矩阵，可以测得[I]矩阵，这样就可以计算得到光谱的[P]矩阵，从而得到光谱成分。

      基于上述原理，研究人员设计并制备了一个尺寸仅仅为9*16μm²面积的光电探测器，响应光谱包括2~9μm。实验结果展示如图5，图5e为实验测试得到的光电流结果，图5f为根据光电流反算得到的光谱结果和理论值对比，发现吻合较好。在计算部分，研究者也采用了自己设计的学习算法，一定程度上，将硬件的部分功能转移到了软件上，因此得以实现超小尺寸的光谱仪。

观点评述

      本文提出的这一光谱仪，基本尺寸与操作的波长尺度相当，对于发展超小型光谱仪有很大的促进作用，并且已经可以初步应用到某些特定场合。同时我们也关注到，近两年对于开发超小型光谱仪科研界也有很多质量很高的文章，其中包括Science、Nature等正刊，包含的光谱也从可见光覆盖到了红外波段。但我们也发现，各种光谱仪虽然尺寸都能做到较小，但是也存在各自的问题，例如本文提出的光谱仪需要工作在低温下(80K)，利用液氮制冷，所以应用场景也受限。同时光谱响应范围也由材料决定，要想发展更宽光谱的探测器，还需要寻找新的光电响应材料。随着技术发展，以及产业界的需求越来越旺盛，开发出功能越来越丰富的片式集成光谱仪应该会在不久就会落地。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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