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指导

近日光纤光谱仪报价，浙江大学极限光学技术与仪器国家重点实验室研究员马耀光团队在微型高性能光谱仪研究方面取得新进展。 该团队提出了一种皮米级分辨率的微纳纤维锥光谱仪，利用微纳纤维锥结构的高阶泄漏模式对输入光谱进行编码，并基于Transformer架构训练MobileViT模型，快速且准确恢复输入频谱。 经测试，该光谱仪可在450-1100 nm波长范围内工作，输入光分辨率可达1 pm量级。 该光谱仪在毫米级空间尺度上实现皮米级波长分辨率，制造难度和成本相对较低。 相关研究成果于2023年5月8日以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表于《eLight》。

图1 微纳光纤漏模干涉光谱仪示意图

研究背景

自从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就占据了重要的地位。 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。 但传统的光谱仪体积大、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，微型光谱仪以其体积小、重量轻、操作方便、结构简单、价格低廉等优点逐渐受到人们的关注。 然而，对光谱仪的低成本、小尺寸和高性能要求存在先天制约：减小光谱仪和检测元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下降，并且同时它可能会增加设备的数量。 制造难度和成本。 如何利用计算光谱对光谱进行编解码是打破这一固有局限的重要前提。

研究亮点

微纳米纤维 (MNF) 是研究纳米级光与物质相互作用的绝佳平台之一。 利用其几何形状简单、光场约束强的优势，研究人员采用自制的光纤锥度，精确控制光纤锥度的大小，有效调控其内部传导模式，如图2(a)所示。

a) 基于微纤维锥的光谱编码结构

非绝热近似下光纤锥度的突变可以将输入的少量低阶模快速转化为大量高阶模。 产生的高阶模式的数量和权重是输入光场频率的函数。 因此，随着高阶模式逐渐被锥形直径切断，光谱信息被编码到由泄漏光场形成的散斑图案中。 多模光纤拉出的光纤锥中支持的传导模式很多，再加上锥区模式耦合带来的自由度，散斑结构非常复杂，波长的微小变化也会引起很斑点变化明显。 因此，可以在更小的尺寸下实现高分辨率光谱识别，如图2(b)、(c)所示。

图 2 光谱仪结构。 (a) 微型光谱仪图片 (b) 侧视图和 (c) 映射在基板上的微纳米纤维锥形区域中的泄漏模式图案的顶视图

1. 纤芯直径、光纤锥度、锥度长度、拉伸长度等结构参数对光锥漏散斑有重要影响。 输入光可以在芯径较大的光纤中激发出更多的模式，因此在后续的模式演化过程中可以产生更复杂的散斑，包括更多的光谱特征。 图3中的仿真结果也验证了这一点。

图 3 不同纤芯直径拉制的光纤锥形的散斑模拟。 核心直径为 (a) 8.2 μm (b) 62.5 μm (c) 105 μm

2、当微纳光纤束腰直径一致时，锥体长度越短，锥体角度越大。 如图 4 所示光纤光谱仪报价，散斑尺寸随着锥体变短而缩小。 根据奈奎斯特采样定理，对于一定尺寸的探测器单元尺寸，系统能够采集到的散斑精细结构的质量会随着散斑的缩小而降低，从而制约光谱仪的分辨率精度。 例如，当锥体长度为 750 μm 时，散斑尺寸仅为 ~2 μm。

图 4 不同锥长的光纤锥散斑模拟。 锥体的长度为 (a) 6000 μm (b) 3000 μm (c) 1500 μm (d) 750 μm

3. 通过优化拉制光纤的纤芯直径、拉制过程中的拉制长度和锥形区域的长度，研究人员在300*600 μm的小尺寸内获得了信息量充足的散斑。 散斑图案由互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器（CIS）直接获取，如图2a所示。 利用自制的微纳光纤锥形平台和转移平台，研究团队可以高效、高精度地制备出所需的微纳光纤，并与CIS探测器集成。 最终样品在保证高集成度的同时，具有良好的稳定性和重复性。 而且，制造的光谱仪的核心部件成本不到 15 美元。

b) 基于深度学习的高精度光谱复原

研究人员发现，重建光谱仪的算法选择对重建结果也有很大影响。 为了实现快速和低功耗的光谱重建，我们训练了基于 Transformer 架构的 MobileViT 模型用于最终的图像分类。 与光谱重建。 最后，光谱仪准确地恢复了 450-1100 nm 光谱范围内的测量光谱信息，平均峰值信噪比 (PSNR) 为 46.7 dB。 图 5(a) 展示了重建的窄带光（彩色实线）和来自商业光栅光谱仪的地面真实光谱（黑色虚线，Ocean Optics，LEDPRO-50）数据之间的高度一致性。 单色光的中心波长误差约为0.0223%。 线宽误差约为7.37%。 此外，该光谱仪在图5(b)、(c)所示的性能极限测试中也表现出良好的性能：在工作带宽测试中，能够准确还原出半峰全宽90 nm的光谱。 在分辨率极限测试中，可以准确还原间隔为1.53 pm的双峰信号。

图 5 光谱仪性能表征。 (a) 450-1100 nm 波长范围内光谱的恢复 (b) 连续光谱的恢复 (c) 窄双峰的恢复

c) 高精度高光谱探测能力

由于微纳纤维尺寸小，光束束缚能力强，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。 图 6(a) 显示了在 CIS 上集成了 20 个纤维锥的样本。 例如，结合机械扫描的采样方法，可以对图6（b）中的图像进行高光谱采集。 如图6(c)、(d)所示，获取的光谱信息具有良好的准确性和色彩还原。

图 6 光谱仪的高光谱特征。 (a) 20通道高光谱成像仪 (b) 色块图和高光谱复原结果 (c) b中每个色块的光谱复原图 (d) b中不同色块的CIE 1931颜色空间坐标

总结与展望

该团队利用轻量级Transformer架构的神经网络模型，对微纳光纤锥度中泄漏模式的干扰散斑进行优化采集，简洁地实现了基于微纳光纤锥度的光谱信息编解码架构，进而构建了一种尺寸为亚毫米、分辨率为皮米级的低成本、高性能的微型光纤锥光谱仪。 此外，利用自制的微纳光纤锥形平台和转移平台，研究团队可以高效、高精度地制备出所需的微纳光纤，并与CIS探测器集成。 通过在CIS上集成多个微纳光纤锥，在保证高集成度和稳定性的同时，实现高光谱成像功能。 而且，制造的光谱仪的核心部件成本不到 15 美元。

目前，光谱仪的工作范围仅限于 200-1100 nm 的 CMOS 响应范围与 450-1200 nm 的可用训练输入光谱范围的交集。 未来，同样的原理可以扩展到不同的材料体系，工作范围可以进一步扩展到紫外或中长波红外频段。 此外，如果在校准过程中进一步考虑偏振态的影响，研究人员将能够同时获得未知光的光谱和偏振态。 本文提出的光谱仪可应用于食品检验、药品鉴定、个性化健康诊断等领域，且成本较低。

该研究得到国家自然科学基金优秀青年项目和浙江省自然科学基金优秀青年项目的支持。 研究成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在卓越计划新期刊eLight上。 论文第一作者为浙江大学光电科学与工程学院硕士生岑青青和博士生片思杰。 通讯作者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马耀光研究员. 硕士生刘新航、唐雨薇、何新英也对论文做出了重要贡献。

参考

岑问，郜。 S.，刘。 X.等。 具有皮米级分辨率的微型漏模光谱仪。 eLight3, 9 (2023).

DOI: 10.1186/s43593-023-00041-7

团队介绍

马耀光，现任浙江大学光电学院研究员，博士生导师，极端光学技术与仪器国家重点实验室，国家海外高层次人才引进青年计划人选。 主持国家自然科学基金优秀青年基金、浙江省优秀青年基金、科技部重大项目子课题等多项项目。 他带领的纳米光学团队（NanoOptics@ZJU）长期致力于研究介观尺度上光与物质相互作用的机理及相关效应。 目前的研究方向包括超表面器件、计算成像与计算光谱学、精密检测与智能传感等。团队的研究领域涉及交叉学科领域，涵盖科学探索、工程应用等多个方面。 在Science、eLight、Advances in Optics and Photonics、ACS Nano等期刊发表高影响学术论文40余篇，其中多篇为ESI高被引论文，单篇最高被引1000余次。 获得2021年光学领域十大社会影响力成果、2021年中国光学十大进展、科技部2021年中国科学十大进展候选进展等奖项.

课题组现有博士后岗位，热忱欢迎不同背景（光学工程、电子信息、机械、材料等）的优秀学生加入课题组！ 欢迎感兴趣的同学通过邮件联系马老师，并在邮件主题栏注明“NanoOptics @ ZJU Research Group Job Application”。 详情可以在主页上找到：

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