? 近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）Sustainability & Photonics Energy Research團(tuán)隊(duì)與紐約州立大學(xué)布法羅分校研究人員設(shè)計(jì)制備了一種基于等離子體“彩虹”芯片的雙功能智能光譜儀（圖1），在特定條件下可以超越傳統(tǒng)的便攜式光譜儀系統(tǒng)。該等離子體“彩虹”芯片由在金屬薄膜上制備的一維或二維漸變光柵組成。通過使用普通相機(jī)拍攝的單幅圖像和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這種基于圖像的小型化系統(tǒng)可以精確地確定照明光源的光譜和偏振信息。
圖1 用于智能片上光譜儀的plasmonic chirped grating示意圖
研究成果以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic “rainbow” chip”為題發(fā)表在 Nature Communications 上。紐約州立大學(xué)布法羅分校博士研究生Dylan Tua, Ruiying Liu, 沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)博士后Wenhong Yang為共同第一作者，通訊作者是沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)甘巧強(qiáng)教授和紐約州立大學(xué)布法羅分校Leslie Ying教授（AI數(shù)據(jù)分析）。
02 研究背景
光譜分析是基礎(chǔ)研究和工業(yè)過程中使用最廣泛的技術(shù)之一。然而，臺式光譜系統(tǒng)通常體積龐大、價格昂貴，主要用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)光譜分析。近年來，研究人員已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向開發(fā)小型化、便攜式和廉價的光譜儀系統(tǒng)，從而可以現(xiàn)場、實(shí)時和原位光譜分析等許多新興應(yīng)用。然而，由于過度簡化的光學(xué)設(shè)計(jì)和小型化結(jié)構(gòu)的機(jī)械限制，小型光譜儀系統(tǒng)的實(shí)際光譜識別性能通常遠(yuǎn)低于臺式光譜儀系統(tǒng)。解決這些限制的一種策略是在光譜學(xué)的數(shù)據(jù)處理步驟中使用Deep Learning （DL）。DL為現(xiàn)代技術(shù)小型化提供了很大的潛力。然而，在之前一些開創(chuàng)性的工作中，DL算法通常僅限于單一功能。這是由于可用于訓(xùn)練和測試這些模型的數(shù)據(jù)被光學(xué)系統(tǒng)收集到數(shù)據(jù)所包含的信息所限制。具有多維特征的物理數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大基于DL系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，對物理層（即光學(xué)系統(tǒng)和等離子體/超構(gòu)表面納米結(jié)構(gòu)）進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，從而為 DL算法提供更多可區(qū)分的訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)已成為為未來人工智能（AI）傳感系統(tǒng)創(chuàng)造新應(yīng)用的新興主題。
03 研究亮點(diǎn)
在該工作中，研究人員采用 “rainbow trapping effect” 開發(fā)了智能片上光譜儀系統(tǒng)。圖2a 展示了所設(shè)計(jì)的1D彩虹芯片，該光柵的幾何參數(shù)沿著寬度方向逐漸變化，從而實(shí)現(xiàn)了對局部等離子體共振的空間調(diào)控。如圖1b所示，研究人員利用FIB微納加工技術(shù)在Ag薄膜上制作出周期從244 nm至764 nm變化（間隔10 nm）的光柵陣列。在白光照射下，由于等離子體共振，在顯微鏡下可以觀察到明顯的“彩虹”彩色圖像（圖2c中的上圖）。通過引入窄帶入射光（圖2d），可以從它們的空間模式（圖2c 中的下圖）中區(qū)分這些不同的波長。
基于這些空間模式圖像，該論文采用基于 DL 的方法，通過使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而從測量的共振模式圖像中預(yù)測出未知的入射光譜。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2e所示。研究團(tuán)隊(duì)將具有任意強(qiáng)度的2個或3個任意波長組合為入射光來照亮光柵，共獲得了500個具有不同波峰和強(qiáng)度的光譜及其相應(yīng)共振模式的圖像。圖 1f 和 1g 分別為460 nm + 635 nm和470 nm + 595 nm + 770 nm的峰值波長重建結(jié)果（使用訓(xùn)練過程中未包含的兩組測試數(shù)據(jù)）。藍(lán)色實(shí)線是重建的光譜，與實(shí)際光譜非常吻合。相比之下，傳統(tǒng)方法重建出的光譜在460 nm和470 nm附近出現(xiàn)了明顯偏差。
圖2 (a) 等離子體“rainbow”芯片示意圖。(b) 光柵的 SEM 圖像。(c) “彩虹”顏色圖案（上圖）和窄帶照明等離子體共振的空間圖像（下圖）。(d) 圖c中相應(yīng)中心波長的光譜。(e) DL網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。對于(f) 雙峰和(g) 三峰波長組合的情況，DL重建光譜（藍(lán)色實(shí)線）、傳統(tǒng)方法計(jì)算光譜（綠色虛線）和傳統(tǒng)光譜儀測量的標(biāo)準(zhǔn)光譜比較（紅色虛線）。
該論文進(jìn)一步展示了由二維光柵組成的智能光譜偏振系統(tǒng)。通過捕捉反射圖像，可以看到一個明顯的“十字”條圖案，其中兩條臂代表了兩種偏振狀態(tài)（圖3b）。在使用不同組合的LED 燈進(jìn)行DL訓(xùn)練后，實(shí)現(xiàn)了智能偏振光譜儀的應(yīng)用。圖3c和3d展示了峰值波長分別為490 nm、595 nm和635 nm的兩種不同偏振光重建的光譜（訓(xùn)練過程中未包含的兩組測試數(shù)據(jù)），重建的光譜與測量的光譜非常吻合。最后，研究團(tuán)隊(duì)使用旋光色散 (optical rotatory dispersion -ORD) 的智能表征，展示了該 2D 光譜儀芯片用于葡萄糖傳感的應(yīng)用（圖 3e）。為了使光譜峰盡可能被區(qū)分，雙峰照明選擇了 525 nm 和 660 nm，三峰照明選擇了470 nm、595 nm 和740 nm。圖3f 顯示了在這兩種情況下芯片的圖像。圖3g和圖3h分別繪制了 DL 模型對 2%、10% 和 30% 葡萄糖水溶液的雙峰和三峰預(yù)測。重建偏振角的偏差范圍為 0.07? 至 0.45?。為了直接比較，研究團(tuán)隊(duì)繪制了代表 ORD 實(shí)驗(yàn)測量值的實(shí)線 (2%-30%) 和虛線 (0%) 曲線?？梢钥吹?，對兩種光照條件所做的預(yù)測與其各自的 ORD 曲線吻合得很好，表明 DL 算法能夠準(zhǔn)確預(yù)測每種葡萄糖溶液引入的旋光度。
圖 3 (a) 2D光柵樣品的 SEM 圖像，周期沿兩個方向變化。(b) 光柵在490 nm、595 nm、635 nm 和 660 nm 光照射下的反射圖像。(c) 垂直偏振光和(d) 水平偏振光的重建光譜,峰值波長分別為 490 nm、595 nm 和 635 nm。(e) 基于圖像的分級光柵系統(tǒng)。(f) 在雙峰（頂行）和三峰（底行）照明下產(chǎn)生的暗條圖案。(g)-(h) 旋光度預(yù)測
04 總結(jié)與展望
研究團(tuán)隊(duì)證明了一種基于圖像的片上智能光譜儀，通過使用 DL 算法訓(xùn)練1D和2D光柵在不同入射光的光譜峰值和偏振態(tài)下觀察到的不同共振圖案。從而可以在對片上共振模式圖案的簡單觀察中重建出有關(guān)照明光譜的信息。同時，通過在偏振狀態(tài)下使用共振模式圖像訓(xùn)練算法實(shí)現(xiàn)了偏振分析。此外，不同濃度的葡萄糖溶液引入ORD的DL預(yù)測表明所提出的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測和定量手性物質(zhì)。所提出的基于圖像的光譜儀，標(biāo)志著在單一緊湊輕型設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了高性能光譜偏振分析，使其在醫(yī)療保健監(jiān)測、藥物濫用傳感中具有很大的應(yīng)用潛力。
作者簡介
甘巧強(qiáng)，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)全職教授。美國光學(xué)學(xué)會Fellow, SPIE Fellow。Editor-in-Chief, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE)。約州立大學(xué)Buffalo分校杰出青年科學(xué)家（2016）。長期致力于輻射制冷、納米光子學(xué)材料和生化傳感應(yīng)用的開發(fā)，以及相關(guān)技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)化。課題組近期成果發(fā)表于 Nature Sustainability, Nature Communications, PNAS, Advanced Materials, Science Advances, Nano Energy 等期刊，并得到了Nature, Science, BBC, Mirror, Salon, Nature Photonics, Nature Middle East等媒體的采訪報導(dǎo)。
