杨宗银：微型光谱仪的发展历程

1月29日，由杭州中学信息与电子安装工程大学杨宗银研究员作为第一作者编写的述评在线发表在国际顶尖刊物上，第一次系统性地小结了波谱仪微型化的技术方案和发展历程，具备特别高的影响力。剑桥学院的Tom-Owen教授为本文共同第一作者，北京师大蔡伟伟研究员和剑桥学院Hasan教授为共同通信作者。

这是继2019年在上刊发世界上最小波谱仪成果后，杨宗银以第一作者发表的第2篇论文。

▲图1：微型波谱仪的四种技术路线

波谱仪可测定物质吸收或则发射的谱线，以便对其成份及结构进行剖析，是科学研究和工业应用中最常用的测定工具之一。传统的波谱仪结构复杂，容积庞大傅里叶红外光谱仪原理介绍，便携性较好，极大制约了其在日常生活中的应用，所以波谱仪的微型化导致了广泛关注。文章全面小结了过去三五年微型波谱仪的发展历程，将微型波谱仪技术路线归纳为衍射型、窄带滤光型、傅里叶变换型和估算波谱这四大类，如图1所示。

▲图2：衍射型微波谱仪

基于衍射分光原理的波谱仪具备特别高的帧率和灵敏度，这只是传统波谱仪所沿袭的技术路线。如图2A所示，初期衍射型微型波谱仪通过简化光路，减低光学器件和侦测器的规格来实现微型化。该技术路线将大大增加波谱仪的功耗，比如降低光路将造成入射光未能在侦测器前有效分光，取消准直透镜则促使入射光未能在侦测器阵列上产生凌厉的像，因而造成波谱码率的减少。因此，研究人员开发了同时具备准直和衍射功能的元件来增加波谱帧率，比如将凸台镜和光栅结合的凸台光栅（图2B），再如和菲涅尔透镜结合的菲涅尔光栅（图2C），这两种结构现在早已应用于商用微型波谱仪上。不仅简化光路和减少器件规格，还可以通过引进波导结构来逐步压缩光路。如图2D所示，入射光通过光栅衍射后，无需经过庞大的空间光路，直接在微米级长度的波导中传输至侦测器。之外，还可以在波导平面上制做衍射器件，例如平面光子晶体（图2E）、平面全息光栅（图2F）、平面凹光栅（图2G）、平面透射光栅（图2H）、阵列波导光栅（图2I）和超表面等，来逐步减少基于波导的衍射型波谱仪的宽度。并且还可以在波导平面上集成单光子侦测器，实现超灵敏的波谱侦测。其实，基于波导的衍射型波谱仪还存在一些技术挑战，例如波导的损耗，波导耦合等问题。

▲图3：窄带滤光型微波谱仪

窄带滤光型微波谱仪是将入射光通过窄波速滤光片来实现分光，不须要容积庞大的衍射器件和光路，可以做到十分紧凑。为了测定入射光的不同波谱份量，窄带滤光片的透过波速还要随时间或则空间分布变化。随时间变化的窄带滤光片有声光可调混频器（AOTF），纯平可调滤光片（LCTF），法珀腔（F-P）滤光片，以及微环可调移相腔滤光片等。这种结构可以通过施加变化的电流或则机械震动实现透过波谱的改变，被广泛适于各类波谱仪中。其中法珀腔滤光片具备结构简略，费用低等特点，是微型波谱仪中最常用的分光器件。按照法珀腔的透过公式，它的透过峰随着腔长（d）、介质折射率（n）、入射视角（θ）而改变，因此可以通过改变这三个参数实现透过波速的变化。图3B和C是典型的通过改变腔长的法珀腔滤光片结构，其中B图调节的是两片晶片的距离，C图是改变薄膜和基体的距离。法珀腔的介质折射率可以通过在腔中放置氮化物晶体或则纯平等电光材料，于是通入不同电流来实现调节。还可以把法珀腔弄成MEMS悬臂梁用电场调节倾斜视角因而实现入射角的变化。以上几种改变法珀腔透过波速的方式都早已被应用在微波谱仪中，其中改变腔长的方案早已被用在商用微型波谱仪上。前述的随时间变化窄带滤光型微波谱仪从工作原理上限制了它的侦测速率，而随空间变化的窄带滤光片可以挺好防止探测速度慢的问题。随空间变化最常用的方案是将滤光片沿一维或则二维阵列排布（图3D，E）。窄带滤光片阵列的可以由法珀腔滤光片、薄膜滤光片、平面光子晶体滤光平、光子晶体光纤、超表面或则环型移相腔组成，阵列中的每一个滤光片对应一个透过波速。在忽视滤光片透过波速码率的状况下不同滤光片的数目越多波谱码率越高，组合镀膜或则蚀刻工艺可以用最少的方法荣获尽或许多的滤光片数目，进而增加费用。另外一种减少费用的方案是用窄带渐变滤光片（图3D），这些滤光片的透过波速顺着空间维度渐变，相当于有无限个滤光片，因此滤光片对应的侦测器分布越密波谱码率越高。还可以通过渐变波导在不同位置泄漏波速的不同实现渐变滤光片的疗效。

▲图4：傅里叶变换型微波谱仪

傅里叶变换波谱仪（FTS）一般适于红外波谱检测，通过干涉仪来调制光强讯号来荣获时间干涉图，再经傅里叶变换荣获待对焦谱，可分为联通式和固定式两种。联通式的FTS基于迈克尔逊干涉仪，辅以微电气系统来联通反射镜（图4A），其劣势是波谱码率遭到驱动器最大行程的限制。固定型的FTS基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI），通过将入射光分成不同的光路来形成相位差，也可基于MZI阵列产生空间外差，如螺旋型的波导阵列（图4B）。在满足功耗的状况下，该类别波谱仪的规格主要受限于光程差和MZI的个数。为了解决这个问题，研究人员通过电光调制及热光效应实现了连续可调的MZI（图4C）。另一种实现方式是数字FTS，其中使用了光子电路，其特征是有许多光学继电器，可以顺着不同厚度的光路传输讯号。其帧率主要取决于光路的数目或波谱通道数（与光继电器的数目成指数关系），通过压缩传感器、机器学习才能有效提升波谱码率并校准气温变化的影响。微型FTS的另一个变种是声压集成傅里叶变换波谱仪()，其原理是通过两个逆向传播的光波形成干涉，由此在多模闭环波导中推行声压，形成空间干涉图并通过倏逝波进行取样（图4D）。因此，因为遭到取样点宽度的限制，干涉图常常欠取样，所以波谱检测范围有限。最新的系统通过空间和时间的双重取样来解决这个问题。基于电光效应通过施加电流使空间干涉图顺着波导联通(图4D)，但是使用固定的奈米取样器，也可对整个干涉图进行取样，所以大大扩宽了波谱检测范围。因为该技术需使用手机在外部对干涉图进行成像，所以还不能实现极端大型化。

▲图5：估算波谱仪

过去三年，出现了一种全新的技术路线——计算波谱，它借助估算来近似或“重构”入射光波谱。该方案可分为波谱的编码和解码两个方法，编码牵涉试验校准，而解码则设计反问题的求解。现在，波谱信息的编码主要有两种策略：波谱维度到空间维度的一对多复杂映射以及波谱响应调制。第一种编码策略为不同的波速争创不同的指纹纹样(图5A)。比如，当单色光通过单模光纤时将在光纤出射端形成与一个脉宽对应的指纹纹样。当多色光通过时，输出纹样则是各波速指纹纹样的叠加。待对焦谱本质上是那些指纹纹样权重值的集合。该类别微型波谱仪容易遭到气温变化的影响，由于气温变化会改变特定波速的指纹纹样。为了解决这个问题，还要提高体温控制器或在不同盐度下进行校准。第二种波谱编码策略是为每位侦测器设计不同的波谱响应，可以设计侦测器原本或在侦测器上集成光学器件来实现（图5F）。诸如，本文作者曾通过设计带隙渐变的纳拉面侦测器并结合估算波谱的原理实现了世界上最小的波谱仪，相关工作于2019年发表在上。

微型波谱仪的发展主要依赖于加工技术的进步和计算机能力的增强。初期微型波谱仪的发展主要运用了20世纪80年代到21世纪初微制造领域的突破，光刻和刻蚀工艺的进步以及MEMS技术的持续发展并且复杂的微型衍射元件、滤光元件和傅里叶变换系统的制导致为或许。过去三年，估算能力的大降幅提升、计算费用的大降幅增加、压缩感知和深度学习等物理工具的发展为微型波谱仪的发展注入了新的魅力。因为波谱仪的功耗除了可以通过提高软件设备实现，也可以通过硬件的优化实现，所以估算波谱仪成为了最具备发展前景的研究方向。近些年来，研究人员陆续提出了一系列新型波谱仪，比如量子点波谱仪、纳火锅波谱仪、超表面波谱仪等。

▲图6：微型波谱仪发展历程中的重要技术突破及时间节点

微型波谱仪具备极大的应用前景。民用上，消费级的微型波谱仪正式出现在智能相机、智能腕带、智能墨镜等电子设备上，成为万物互联传感网路中的重要一环，并缔造千亿级的市场。微型高波谱手机的出现将为智慧渔业、地质钻探、肿瘤确诊等领域带给新的改革。

作者简介

杨宗银，杭州中学信息与电子安装工程学校千人计划研究员，常年旨在于带隙渐变砷化镓在全波谱发光和侦测上的应用，作出了许多世界领先的研究工作，比如世界最小的波谱仪，世界最宽波谱可混频雷射器等。近些年来，陆续在、、、J.Am.Chem.Soc.、Nano、、、ACSNano等顶尖刊物发表论文30余篇。

Tom-Owen教授结业于剑桥学院电子安装工程系，现在是剑桥学院电子安装工程系的博士后。他在一维和二维材料光电子元件上作出了许多引领性研究，现在早已在,,,等顶尖刊物上发表论文18篇。

蔡伟伟傅里叶红外光谱仪原理介绍，北京交通学院轴套机械研究所非常研究员，常年旨在于估算成像与燃烧确诊技术的交叉与融合，产生了具备特色的热物性与热化学检测研究方向。近些年来，在、inand、ofFluid等刊物发表一作/通讯论文50余篇。相关工作得到了国家自然科学基金（E0606，No.、、）及国家高层次人才引入计划青年项目的支持。

Hasan教授是剑桥学院电子安装工程系副主任（），同时只是剑桥学院电子安装工程系副系教授和剑桥学院丘吉尔大学的教授和教务处长。他的研究组旨在于研究奈米材料在光电子，能源以及传感上的应用研究。他的研究组在二维材料喷墨复印，超快雷射以及在硅基元件上复印上作出了许多引领性研究。他在,,,等顶尖刊物上发表论文100余篇，引用超出两万次，H因子54。

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