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皮米级微纳纤维锥形光谱仪

自牛顿用棱镜观察到色散现象以来，光谱技术的研究在人类发展史上占有重要地位。 1859年，德国科学家基尔霍夫和本生制成了世界上第一台光谱仪，用光谱分析法对当时未知的化学元素铯和铷进行了分析。 随着光谱分辨率的提高和光谱理论的完善，光谱技术逐渐从科学实验领域扩展到分析应用领域，并在生物传感、环境监测、天文学和医疗等领域发挥着重要作用。

传统光谱仪体积大、价格昂贵，难以在实际应用中普及。 频谱的测量往往需要使用非常专业的设备或者在专业的检测机构进行。 近年来，随着微纳技术的发展，微型光谱仪逐渐进入人们的视野。 微型光谱仪体积小、重量轻、操作方便、结构简单、价格低廉，具有广泛推广的潜力。 长期以来，研究人员一直致力于开发低成本、小体积、稳定的高性能光谱仪。

然而，上述问题之间存在着内在的制约因素。 减小光谱和检测部件的尺寸将导致光谱仪的分辨率、灵敏度和动态检测范围显着降低，并可能增加设备的制造难度和成本。 因此，光谱仪小型化是当前领域备受瞩目的技术挑战。 一些现有的解决方案，如依赖微纳制造的滤波器阵列和片上光谱仪，仍然存在固有功率损耗、通道数量少、耦合效率低等局限性。 如何实现高稳定性、高性能和低成本的微型光谱仪仍然是该领域亟待解决的问题之一。

针对上述问题光纤光谱仪 品牌，浙江大学马耀光研究员带领的纳米光学团队提出了一种基于微纳光纤漏模的微型光谱仪（如图1所示）。 该光谱仪以极低的制造难度和成本（核心部件价格不超过15美元），在亚毫米空间尺度上实现了皮米级波长分辨能力。

图 1：光谱仪结构。 (a) 微型光谱仪图片 (b,c) 映射在基板上的微纳米纤维锥形泄漏模式图案的侧视图和俯视图

该光谱仪的设计以其优异的性能和可扩展性光纤光谱仪 品牌，为微型光谱仪在环境检测、生物传感、可穿戴设备等方面的应用带来了新的可能。

该成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在eLight上。 本论文完成单位为浙江大学光电科学与工程学院、极限光学技术与仪器国家重点实验室、杭州国际科技创新中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心，共同第一作者为岑青青和片丝杰，通讯作者为马耀光研究员。 Xinhang Liu、Yuwei Tang 和 Xinying He 对论文做出了重要贡献。 该研究得到了国家自然科学基金优秀青年计划和浙江省自然科学基金的支持。

团队成员自制了一个自动减量系统（如图2所示）。 而CO？ 激光聚焦局部软化光纤，通过电机拉伸光纤两端，获得微纳米光纤锥度。 系统通过自动控制程序，可以精确调节锥度温度、锥度长度和锥度速度，拉制出不同结构特性的微纳光纤，满足高精度、高强度的实验要求。可重复性和快速绘图。

图 2：自制锥度。 (a) 锥度机加热部分 (b) 锥度机整体结构

通过优化微纳光纤锥形区域的结构参数，使微纳光纤锥形产生1mm以内的复杂漏模（如图1所示）。 然后利用精密平移平台优化投射到CIS模式的泄漏模式，微调维纳光纤与CIS之间的接触距离、角度等参数。 最后将微纳光纤固定并封装，光谱仪样机就完成了。

微纳光纤漏模形成的干涉图样与光谱具有复杂的映射关系，通过CIS一次采集的图像可以恢复出输入光的光谱信息。 利用Transformer架构的轻量级模型对测得的干涉图样数据进行分析，可以轻松构建光谱信息与泄漏图样图像之间的相关性。 最终制造的微型光谱仪在更小的尺寸中表现出更高的性能。 如图 3 所示，光谱仪可以恢复半峰全宽为 90nm 的连续光谱。 同时，在双峰信号恢复实验中，光谱仪可实现波长相差1.53pm的两个激光峰的分辨。

图 3：光谱仪性能表征。 (a) 连续光谱的恢复 (b) 窄双峰的恢复

由于微纳纤维尺寸小，可以将多个微纳纤维锥集成在一个传感器上，实现高光谱成像。 通过集成在 CIS 上的 20 个光纤锥（图 4a），对图像进行了还原，并成功识别出人眼无法区分的各种同色异谱，体现了该设计在高光谱成像方面的巨大潜力。

图 4：光谱仪高光谱表征。 (a) 20通道高光谱成像仪 (b) 投影图像复原 (c) 投影图像各区域复原光谱