2篇Science論文，這個團隊對微型光譜儀有獨到見解
2021/01/29來源：納米人閱讀：9354 次
2021年1月29日，由浙江大學信息與電子工程學院楊宗銀研究員作為第一作者撰寫的綜述在線發(fā)表在國際頂級期刊Science上，第一次系統(tǒng)性地總結(jié)了光譜儀微型化的技術(shù)方案和發(fā)展歷程，具有非常高的影響力。劍橋大學的Tom Albrow-Owen博士為本文共同第一作者，上海交大蔡偉偉研究員和劍橋大學Tawfique Hasan博士為共同通訊作者。
這是繼2019年在Science上刊發(fā)世界上最小光譜儀成果后，楊宗銀以第一作者發(fā)表的第2篇Science論文。 光譜儀可測量物質(zhì)吸收或者發(fā)射的譜線，從而對其成分及結(jié)構(gòu)進行分析，是科學研究和工業(yè)應(yīng)用中最常用的測量工具之一。傳統(tǒng)的光譜儀結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，便攜性較差，極大阻礙了其在日常生活中的應(yīng)用，因此光譜儀的微型化引起了廣泛關(guān)注。文章全面總結(jié)了過去三十年微型光譜儀的發(fā)展歷程，將微型光譜儀技術(shù)路線歸納為色散型dispersive optics、窄帶濾光型narrowband filters、傅里葉變換型Fourier transform和計算光譜reconstructive這四大類，如圖1所示。 基于色散分光原理的光譜儀具有非常高的分辨率和靈敏度，這也是傳統(tǒng)光譜儀所沿用的技術(shù)路線。如圖2A所示，早期色散型微型光譜儀通過簡化光路，減小光學元件和探測器的尺寸來實現(xiàn)微型化。該技術(shù)路線將大大降低光譜儀的性能，例如縮短光路將導致入射光無法在探測器前有效分光，取消準直透鏡則使得入射光無法在探測器陣列上形成銳利的像，從而導致光譜分辨率的降低。為此，研究人員開發(fā)了同時具有準直和色散功能的器件來提高光譜分辨率，例如將凹面鏡和光柵結(jié)合的凹面光柵（圖2B），再如和菲涅爾透鏡結(jié)合的菲涅爾光柵（圖2C），這兩種結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)應(yīng)用于商用微型光譜儀上。除了簡化光路和減小元件尺寸，還可以通過引入波導結(jié)構(gòu)來進一步壓縮光路。如圖2D所示，入射光通過光柵散射后，無需經(jīng)過龐大的空間光路，直接在微米級厚度的波導中傳輸至探測器。此外，還可以在波導平面上制作色散元件，比如平面光子晶體（圖2E）、平面全息光柵（圖2F）、平面凹光柵（圖2G）、平面透射光柵（圖2H）、陣列波導光柵（圖2I）和超表面等，來進一步減小基于波導的色散型光譜儀的尺寸。甚至還可以在波導平面上集成單光子探測器，實現(xiàn)超靈敏的光譜探測。當然，基于波導的色散型光譜儀還存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，比如波導的損耗，波導耦合等問題。 窄帶濾光型微光譜儀是將入射光通過窄波長濾光片來實現(xiàn)分光，不需要體積龐大的色散元件和光路，可以做到非常緊湊。為了測量入射光的不同光譜分量，窄帶濾光片的透過波長需要隨時間或者空間分布變化。隨時間變化的窄帶濾光片有聲光可調(diào)濾波器（AOTF），液晶可調(diào)濾光片（LCTF），法珀腔（F-P）濾光片，以及微環(huán)可調(diào)諧振腔濾光片等。這些結(jié)構(gòu)可以通過施加變化的電壓或者機械振動實現(xiàn)透過光譜的改變，被廣泛用于各種光譜儀中。 其中法珀腔濾光片具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點，是微型光譜儀中最常用的分光元件。根據(jù)法珀腔的透過公式，它的透過峰隨著腔長（d）、介質(zhì)折射率（n）、入射角度（θ）而改變，所以可以通過改變這三個參數(shù)實現(xiàn)透過波長的變化。圖3B和C是典型的通過改變腔長的法珀腔濾光片結(jié)構(gòu)，其中B圖調(diào)節(jié)的是兩片硅片的距離，C圖是改變薄膜和襯底的距離。法珀腔的介質(zhì)折射率可以通過在腔中放置鈮酸鋰晶體或者液晶等電光材料，然后通入不同電壓來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。還可以把法珀腔做成MEMS懸臂梁用電場調(diào)節(jié)傾斜角度從而實現(xiàn)入射角的變化。 以上幾種改變法珀腔透過波長的方法都已經(jīng)被應(yīng)用在微光譜儀中，其中改變腔長的方案已經(jīng)被用在商用微型光譜儀上。前述的隨時間變化窄帶濾光型微光譜儀從工作原理上限制了它的探測速度，而隨空間變化的窄帶濾光片可以很好避免探測速度慢的問題。隨空間變化最常用的方案是將濾光片沿一維或者二維陣列排布（圖3D，E）。窄帶濾光片陣列的可以由法珀腔濾光片、薄膜濾光片、平面光子晶體濾光平、光子晶體光纖、超表面或者環(huán)形諧振腔組成，陣列中的每一個濾光片對應(yīng)一個透過波長。在忽略濾光片透過波長帶寬的情況下不同濾光片的數(shù)量越多光譜分辨率越高，組合鍍膜或者刻蝕工藝可以用最少的步驟獲得盡可能多的濾光片數(shù)量，從而降低成本。另外一種減低成本的方案是用窄帶漸變?yōu)V光片（圖3D），這種濾光片的透過波長沿著空間維度漸變，相當于有無限個濾光片，所以濾光片對應(yīng)的探測器分布越密光譜分辨率越高。還可以通過漸變波導在不同位置泄露波長的不同實現(xiàn)漸變?yōu)V光片的效果。 傅里葉變換光譜儀（FTS）通常用于紅外光譜測量，通過干涉儀來調(diào)制光強信號來獲得時間干涉圖，再經(jīng)傅里葉變換獲得待測光譜，可分為移動式和固定式兩種。移動式的FTS基于邁克爾遜干涉儀，采用微機電系統(tǒng)來移動反射鏡（圖4A），其缺點是光譜分辨率受到驅(qū)動器最大行程的限制。固定型的FTS基于馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），通過將入射光分成不同的光路來產(chǎn)生相位差，也可基于MZI陣列形成空間外差，如螺旋型的波導陣列（圖4B）。在滿足性能的情況下，該類型光譜儀的尺寸主要受限于光程差和MZI的個數(shù)。為了解決這個問題，研究人員通過電光調(diào)制及熱光效應(yīng)實現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)的MZI（圖4C）。 另一種實現(xiàn)方法是數(shù)字FTS，其中使用了光子電路，其特點是有許多光學開關(guān)，可以沿著不同長度的光路傳輸信號。其分辨率主要取決于光路的數(shù)量或光譜通道數(shù)（與光開關(guān)的數(shù)量成指數(shù)關(guān)系），通過壓縮傳感、機器學習能夠有效提高光譜分辨率并校正溫度變化的影響。微型FTS的另一個變種是駐波集成傅里葉變換光譜儀(SWIFTS)，其原理是通過兩個反向傳播的光波產(chǎn)生干涉，由此在單模閉環(huán)波導中建立駐波，產(chǎn)生空間干涉圖并通過倏逝波進行采樣（圖4D）。然而，由于受到采樣點間距的限制，干涉圖往往欠采樣，因此光譜測量范圍有限。 最新的SWIFTS系統(tǒng)通過空間和時間的雙重采樣來解決這個問題?；陔姽庑?yīng)通過施加電壓使空間干涉圖沿著波導移動(圖4D)，即使使用固定的納米采樣器，也可對整個干涉圖進行采樣，因此大大拓寬了光譜測量范圍。由于該技術(shù)需使用相機在外部對干涉圖進行成像，因此還不能實現(xiàn)極端小型化。 過去十年，出現(xiàn)了一種全新的技術(shù)路線——計算光譜，它依靠計算來近似或“重構(gòu)”入射光光譜。該方案可分為光譜的編碼和解碼兩個步驟，編碼涉及實驗標定，而解碼則設(shè)計反問題的求解。目前，光譜信息的編碼主要有兩種策略：光譜維度到空間維度的一對多復雜映射以及光譜響應(yīng)調(diào)制。第一種編碼策略為不同的波長創(chuàng)建不同的指紋圖案(圖5A)。例如，當單色光通過多模光纖時將在光纖出射端產(chǎn)生與一個波長對應(yīng)的指紋圖案。當多色光通過時，輸出圖案則是各波長指紋圖案的疊加。待測光譜本質(zhì)上是這些指紋圖案權(quán)重值的集合。該類型微型光譜儀容易受到溫度變化的影響，因為溫度變化會改變特定波長的指紋圖案。為了解決這個問題，需要增加溫度控制器或在不同溫度下進行標定。第二種光譜編碼策略是為每個探測器設(shè)計不同的光譜響應(yīng)，可以設(shè)計探測器本身或在探測器上集成光學元件來實現(xiàn)（圖5F）。例如，本文作者曾通過設(shè)計帶隙漸變的納米線探測器并結(jié)合計算光譜的原理實現(xiàn)了世界上最小的光譜儀，相關(guān)工作于2019年發(fā)表在Science上。 微型光譜儀的發(fā)展主要依賴于加工技術(shù)的進步和計算機能力的提升。早期微型光譜儀的發(fā)展主要利用了20世紀80年代到21世紀初微制造領(lǐng)域的突破，光刻和蝕刻工藝的進步以及MEMS技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得復雜的微型色散器件、濾光器件和傅里葉變換系統(tǒng)的制造成為可能。過去十年，計算能力的大幅度增強、計算成本的大幅度降低、壓縮感知和深度學習等數(shù)學工具的發(fā)展為微型光譜儀的發(fā)展注入了新的活力。由于光譜儀的性能不僅可以通過增強硬件設(shè)備實現(xiàn)，也可以通過軟件的優(yōu)化實現(xiàn)，因此計算光譜儀成為了最具有發(fā)展前景的研究方向。近年來，研究人員相繼提出了一系列新型光譜儀，例如量子點光譜儀、納米線光譜儀、超表面光譜儀等。微型光譜儀發(fā)展歷程中的重要技術(shù)突破及時間節(jié)點
微型光譜儀具有極大的應(yīng)用前景。民用上，消費級的微型光譜儀即將出現(xiàn)在智能手機、智能手環(huán)、智能眼鏡等電子設(shè)備上，成為萬物互聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)，并創(chuàng)造千億級的市場。微型高光譜相機的出現(xiàn)將為智慧農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘探、腫瘤診斷等領(lǐng)域帶來新的變革。 楊宗銀，浙江大學信息與電子工程學院百人計劃研究員，長期致力于帶隙漸變半導體在全光譜發(fā)光和探測上的應(yīng)用，做出了許多世界領(lǐng)先的研究工作，例如世界最小的光譜儀，世界最寬光譜可調(diào)諧激光器等。近年來，相繼在Science、Science Advances、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters、Advanced Materials、Angewandte、ACS Nano等頂級期刊發(fā)表論文30余篇。 蔡偉偉，上海交通大學葉輪機械研究所特別研究員，長期致力于計算成像與燃燒診斷技術(shù)的交叉與融合，形成了具有特色的熱物性與熱物理測試研究方向。近年來，在Science、Progress in Energy and Combustion Science、Journal of Fluid Mechanics等期刊發(fā)表一作/通信論文50余篇。相關(guān)工作得到了國家自然科學基金（E0606，No. 52061135108、51976122、51706141）及國家高層次人才引進計劃青年項目的支持。https://science.sciencemag.org/content/371/6528/eabe0722
