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1月29日，浙江大学信息与电子工程学院研究员杨宗银作为第一作者撰写的综述在线发表于国际顶级期刊《科学》。 非常高的影响。 英国剑桥大学Tom Albrow-Owen博士为该论文的共同第一作者，上海交通大学蔡薇薇研究员和剑桥大学Tawfique Hasan博士为共同通讯作者。

这是继2019年在Science发表世界最小光谱仪后，杨宗寅以第一作者身份发表的第二篇Science论文。

▲图1：微型光谱仪的四种技术路线

光谱仪可以测量物质的吸收线或发射线，以分析其成分和结构。 它是科学研究和工业应用中最常用的测量工具之一。 传统光谱仪结构复杂、体积庞大、便携性差，极大地阻碍了其在日常生活中的应用，因此光谱仪的小型化受到了广泛关注。 本文全面总结了近三十年来微型光谱仪的发展历史，并将微型光谱仪的技术路线概括为四大类：色散光学、窄带滤波器、傅立叶变换和计算光谱重构，如图1所示。

▲图2：色散显微光谱仪

基于色散光谱原理的光谱仪具有非常高的分辨率和灵敏度，这也是传统光谱仪所遵循的技术路线。 如图2A所示，早期的色散微型光谱仪通过简化光路、减小光学元件和探测器的尺寸实现了小型化。 这种技术路线会大大降低光谱仪的性能。 例如，缩短光路会导致入射光在检测器前无法有效分光。 取消准直透镜将阻止入射光在检测器阵列上形成清晰的图像，从而导致光谱分辨率的损失。 减少。 为此光纤光谱仪原理，研究人员开发了兼具准直和色散功能的器件以提高光谱分辨率，例如结合了凹面镜和光栅的凹面光栅（图2B），以及结合了菲涅尔透镜的菲涅尔光栅（图2C） )，这两种结构已应用于商业微型光谱仪。 除了简化光路和减小元器件尺寸外，还可以通过引入波导结构进一步压缩光路。 如图2D所示，入射光经过光栅散射后，直接传输到微米级波导中的探测器，不经过巨大的空间光路。 此外，还可以在波导平面上制作色散元件，如平面光子晶体（图2E）、平面全息光栅（图2F）、平面凹面光栅（图2G）、平面透射光栅（图2H） ）、阵列波导光栅（图 2I）和超表面，以进一步减小基于波导的色散光谱仪的尺寸。 甚至可以在波导平面上集成单光子检测器以进行超灵敏光谱检测。 当然，基于波导的色散光谱仪仍然存在一些技术挑战，例如波导损耗和波导耦合。

▲图3：窄带滤光片显微光谱仪

窄带滤光片微型光谱仪通过窄波长滤光片分离入射光。 它不需要笨重的色散元件和光路，而且可以非常紧凑。 为了测量入射光的不同光谱分量，窄带滤光片的透射波长需要随时间或空间分布而变化。 时变窄带滤波器包括声光可调谐滤波器（AOTF）、液晶可调谐滤波器（LCTF）、法珀腔（FP）滤波器和微环可调谐谐振腔滤波器等。 这些结构可以通过施加变化的电压或机械振动来改变透射光谱，广泛应用于各种光谱仪中。 其中，Fab腔体滤波器具有结构简单、成本低廉等优点，是微型光谱仪中最常用的光谱元件。 根据费伯腔的传输公式，其传输峰值随腔长（d）、介质折射率（n）和入射角（θ）而变化，因此传输波长可以通过改变这三个参数来实现。 种类。 图3B和C是典型的Fab腔体滤波器结构，通过改变腔长，图B调整了两片硅片之间的距离，图C改变了薄膜与基板之间的距离。 Fab腔体的介质折射率可以通过在腔体中放置铌酸锂晶体或液晶等电光材料，然后施加不同的电压来调节。 也可以将Fab腔做成MEMS悬臂梁，利用电场调整倾角，实现入射角的变化。 上述改变Fab腔传输波长的方法已经在微型光谱仪中得到应用，改变腔长的方案已经在商用微型光谱仪中得到应用。 前述时变窄带滤波器微型光谱仪从工作原理上限制了它的检测速度，随空间变化的窄带滤波器可以很好地避免检测速度慢的问题。 随空间变化的最常见方案是沿一维或二维阵列排列滤波器（图 3D、E）。 窄带滤波器阵列可由法布里腔滤波器、薄膜滤波器、平面光子晶体滤波器平面、光子晶体光纤、超表面或环形谐振腔组成。 阵列中的每个滤波器对应于一个通过波长。 在忽略滤光片波长带宽的情况下，不同滤光片的数量越多，光谱分辨率越高，结合镀膜或蚀刻工艺可以用最少的步骤获得尽可能多的滤光片光纤光谱仪原理，从而降低成本。 另一种降低成本的解决方案是使用窄带梯度滤波器（图 3D）。 该滤光片的透射波长沿空间维度逐渐变化，相当于无限多的滤光片，因此对应的检测滤光片的传感器分布越密，光谱分辨率越高。 渐变滤光片的效果也可以通过渐变波导不同位置的不同泄漏波长来实现。

▲图4：傅立叶变换微型光谱仪

傅立叶变换光谱仪（FTS）通常用于红外光谱测量。 光强信号经干涉仪调制得到时间干涉图，再经傅里叶变换得到待测光谱。 可分为移动式和固定式两种。 . 移动式 FTS 基于迈克尔逊干涉仪并使用 MEMS 移动反射镜（图 4A）。 缺点是光谱分辨率受致动器最大行程的限制。 固定 FTS 基于 Mach-Zehnder 干涉仪 (MZI)，它通过将入射光分成不同的光路来产生相位差。 它还可以形成基于 MZI 阵列的空间外差，例如螺旋波导阵列（图 4B）。 在满足性能的情况下，该类光谱仪的尺寸主要受光程差和MZI数量的限制。 为了解决这个问题，研究人员通过电光调制和热光效应实现了连续可调的 MZI（图 4C）。 另一种实现是数字 FTS，其中使用了光子电路，具有许多光开关，可以沿着不同长度的光路传输信号。 其分辨率主要取决于光路数或光谱通道数（与光开关数呈指数关系）。 压缩感知和机器学习可以有效提高光谱分辨率并修正温度变化的影响。 微型FTS的另一种变体是驻波积分傅里叶变换光谱仪（SWIFTS），其原理是通过两个反向传播的光波产生干涉，从而在单模闭环波导中建立驻波, 生成空间干涉图和采样由渐逝波执行 (图 4D)。 然而，由于采样点间距的限制，干涉图往往欠采样，因此光谱测量范围受到限制。 最新的 SWIFTS 系统通过空间和时间的双重采样解决了这个问题。 通过施加基于电光效应的电压沿波导移动空间干涉图（图 4D），即使使用固定的纳米采样器也可以对整个干涉图进行采样，从而大大拓宽了光谱测量范围。 由于该技术需要相机在外部对干涉图进行成像，因此极端小型化尚不可能。

▲图5：计算光谱仪

近十年来，出现了一条新的技术路线——计算光谱学，它依靠计算来近似或“重建”入射光的光谱。 该方案可分为谱编码和解码两个步骤。 编码涉及实验校准，而解码涉及求解反问题。 目前，有两种主要的光谱信息编码策略：从光谱维度到空间维度的一对多复杂映射和光谱响应调制。 第一种编码策略为不同的波长创建不同的指纹图案（图 5A）。 例如，当单色光通过多模光纤时，在光纤输出端会产生一个波长对应的指纹图样。 当多色光通过时，输出图案是各波长指纹图案的叠加。 要测量的光谱本质上是这些指纹图案权重值的集合。 这种类型的微型光谱仪容易受到温度变化的影响，从而改变特定波长的指纹图案。 为了解决这个问题，需要增加温度控制器或在不同温度下进行校准。 第二种光谱编码策略是为每个检测器设计不同的光谱响应，这可以通过设计检测器本身或在检测器上集成光学元件来实现（图 5F）。 例如，本文作者通过设计具有梯度带隙的纳米线探测器，并结合计算光谱原理，实现了世界上最小的光谱仪。 相关工作于 2019 年发表在 Science 上。

微型光谱仪的发展主要取决于加工技术的进步和计算机能力的提高。 早期微型光谱仪的发展主要是利用了20世纪80年代至21世纪初微制造领域的突破。 光刻和刻蚀工艺的进步以及MEMS技术的不断发展，使得复杂的微型色散器件、滤光器件和傅立叶变换系统的制造成为可能。 近十年来，计算能力的大幅提升、计算成本的大幅降低，以及压缩感知、深度学习等数学工具的发展，为微型光谱仪的发展注入了新的活力。 由于光谱仪的性能不仅可以通过增强硬件设备来实现，还可以通过优化软件来实现，因此计算光谱仪成为最有前途的研究方向。 近年来，研究人员相继提出了一系列新型光谱仪，如量子点光谱仪、纳米线光谱仪、超表面光谱仪等。

▲图6：微型光谱仪发展的重要技术突破和时间节点

微型光谱仪具有广阔的应用前景。 对于民用，消费级微型光谱仪将很快出现在智能手机、智能手环、智能眼镜等电子设备上，成为万物互联传感器网络的重要组成部分，创造千亿级市场。 微型高光谱相机的出现，将为智慧农业、地质勘探、肿瘤诊断等领域带来新的变革。

关于作者

浙江大学信息与电子工程学院百人计划研究员杨宗银长期致力于带隙半导体在全光谱发光和检测中的应用，做出了多项世界领先的研究工作，如世界上最小的光谱仪、世界上光谱最宽的可调谐激光器等。近年来，在Science、Science Advances、Nature Communications、J. Am.等顶级期刊发表论文30余篇。 化学。 Soc.、Nano Letters、Advanced Materials、Angewandte 和 ACS Nano。

Tom Albrow-Owen 博士毕业于剑桥大学电气工程系，目前在剑桥大学电气工程系从事博士后研究。 在一维、二维材料光电器件方面做出多项开创性研究，在Science、Science Advances、Nature Communications、Advanced Functional Materials等顶级期刊发表论文18篇。

上海交通大学涡轮机械研究所特聘研究员蔡薇薇长期致力于计算成像与燃烧诊断技术的交叉与融合，形成了独特的热物性与热物性测试研究方向。 近年来，在Science、Progress in Energy and Combustion Science、Journal of Fluid Mechanics等期刊发表作者/通讯论文50余篇。 相关工作得到了国家自然科学基金（E0606，No.52061135108、51976122、51706141）和国家高层次人才引进计划青年项目的资助。

Tawfique Hasan 博士是剑桥大学电子工程系副教授（Reader），同时也是剑桥大学电子工程系的副院长，同时也是剑桥大学的研究员和教务主任。剑桥大学丘吉尔学院。 他的研究组致力于研究纳米材料在光电子、能源和传感器方面的应用。 他的研究小组在二维材料的喷墨打印、超快激光和硅基设备打印等方面做出了许多开创性的研究。 在Science、Nature Photonics、Science Advances、Nature Communications等顶级期刊发表论文100余篇，被引用2万余次，H因子54。

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