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你有没有想过这样的场景，只需要将一个指甲盖大小的模块连接到手机上，然后从模块端伸出一根光纤采集信号，就可以得到一系列的数据，可以快速检测食物中的病原体？ 疾病微生物、水污染元素，甚至奶粉中的三聚氰胺含量……这就是微型光谱仪。 如果有望在生活中普及，将重新定义很多不能用或不能用光谱仪的场景。

近日，浙江大学杭州国际科技创新中心（以下简称科创中心）极端光学技术与仪器国家重点实验室研究员马耀光团队取得新进展从事微型高性能光谱仪的研究。 该团队研制的微纳米纤维锥光谱仪，可以通过微纳米纤维锥的结构对光谱信息进行编码。 其工作波段范围为450nm-1100nm，输入光分辨率可达1.5pm级别。 核心部件成本控制在百元以内。 目前相关研究成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在《eLight》杂志上。

迈出不寻常的一步

微纳光纤的高效高精度制备

微型光谱仪是科学研究和工业生产中非常重要的设备，但是要想把光谱仪做的更小更精巧，往往会受到加工工艺和结构设计的限制，这会导致工作范围、分辨率、设备成本等性能参数遇到瓶颈。

如何解决这个困境？ 该团队瞄准了微纳米纤维。 一般情况下，可以只选择光纤中结构最平坦、直径最均匀的部分，使光场在光纤中传播的距离尽可能长。 但团队却反其道而行之。 他们使用自制的光纤锥度，精确控制光纤锥度的大小，使光纤锥度非常陡，而且越靠近锥尖越陡。 马耀光解释说，“我们可以通过特殊的形态学来控制光场，从而产生尽可能多的模式耦合和演化。”

此外，与“光场传输损耗越低越好”的传统认知不同，团队再次另辟蹊径，利用不利于传输的泄漏模式，从而控制光场的形状光纤和不对称弯曲，使光纤中的导模尽可能地转化为漏模，形成散斑，然后用神经网络的方法解释散斑所代表的光谱信息。 通过这样的方法，团队终于能够高效率、高精度地制备出所需的微纳光纤，并保证最终样品具有高度的集成度和稳定性。

柳树花开又一村

探索曲折

“实验流程对吗？研究方向对不对？要不要继续走这条路？” 科学研究往往在曲折中探索和前进。 在开展这项研究的过程中，团队每天也面临着无穷无尽的挑战。 怀疑和不确定的探索。

实验一开始，团队就遇到了瓶颈。 他们试图通过慢慢改变光纤锥在基板上的泄漏位置来区分波长，但后来发现，依靠这种方法只能达到大约 3nm 到 5nm 的分辨率。 于是光纤光谱仪原理，团队开始“死磕”散斑，有针对性地测量细节。 幸运的是光纤光谱仪原理，他们很快就解决了分辨率的问题，甚至达到了亚纳米级别。

然而，一个新的问题紧随其后——如何找到校正后的光源？ 一方面需要极窄的线宽，另一方面需要比较大的可调范围。 在极限光学技术与仪器国家重点实验室的支持下，设备问题一一得到解决。 随后他们对微纳光纤进行了制备、集成、固定、光谱校正等一系列工艺过程。 功夫不负有心人，经过2021年到2022年整整一年的测试、改造和改进，光谱仪的分辨率已经达到了1.5pm左右！ 这意味着该光谱仪的结果在保证微型化外观的情况下，将分辨率提高到传统纳米级光谱仪的千倍以上。 这也是极端光学领域一个可喜的新进展。 未来有望满足更多类型的超精密检测和更精准的物质识别。 例如，我们可以通过一根毛发来检测人体中的各种微量元素。

在科技创新的道路上，我们常常会遇到无数没有出路的困境，但也会有很多惊喜，而“解锁惊喜”的密码往往来自日复一日的尝试和积累。

马耀光表示，科创中心是创新创业的热点。 目前，团队正在微纳光纤制备与检测器集成方面进行更多探索，以实现制备和封装的自动化，推动技术走向实际应用。

极限光学技术与仪器研究所

极光技术与仪器研究所（以下简称研究所）成立于2022年9月，是由科技创新中心与现代光学仪器国家重点实验室共同建设的重大科技创新平台。浙江大学。 研究院专注于高端光刻机系统集成和光刻过程中的极限光学检测研究。 成为国家在极端光学检测技术与仪器领域的战略科技力量。

马耀光团队目前拥有博士后岗位，热忱欢迎不同背景（光学工程、电子信息、机械、材料等）的人才加入！

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