據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）Zhipei Sun等研究人員在Light: Science & Applications期刊發(fā)表了以“Reconstructive spectrometers taper down in price”為主題的評述文章。

長期以來，光譜學(xué)一直是工業(yè)和科學(xué)研究中不可或缺的工具。對于許多新興應(yīng)用，例如快速增長的可穿戴電子產(chǎn)品市場，便攜性是至關(guān)重要的特性。有必要將更經(jīng)濟(jì)、尺寸更小的光譜儀集成到緊湊型設(shè)備中，例如監(jiān)測人體生物信號(hào)的智能手表，以及可以檢測假藥的便攜式分析儀。也許未來，人們甚至可以通過智能手機(jī)或智能眼鏡來檢測看不見的食物變質(zhì)。盡管研究者已經(jīng)在開發(fā)不同種類的光譜儀方面做出了巨大努力，但是在追求低成本、穩(wěn)定、緊湊、快速、節(jié)能以及高分辨率的光譜學(xué)的競爭中，計(jì)算重建型光譜儀有望占據(jù)領(lǐng)先地位。

傳統(tǒng)的光譜儀依靠色散元件（通常是光柵或棱鏡）將入射光分離成其組成“顏色（頻率）”；然后利用一維探測器陣列讀取光譜。一般來說，光譜分辨率與線性維度成比例，因此這些光譜儀往往體積龐大。相比之下，計(jì)算重建型光譜儀的設(shè)計(jì)使得每個(gè)入射波長產(chǎn)生復(fù)雜但獨(dú)特的模式作為輸出信號(hào)。在設(shè)備對已知光譜的響應(yīng)進(jìn)行表征的訓(xùn)練之后，可以使用計(jì)算算法從設(shè)備對照明的響應(yīng)中提取未知光譜的頻率內(nèi)容。

計(jì)算重建型光譜儀比臺(tái)式光譜儀設(shè)計(jì)更為緊湊，但是不會(huì)犧牲過多性能。在輸出電信號(hào)的器件上出現(xiàn)約幾十微米量級的最小尺寸。這樣的器件表現(xiàn)為可調(diào)諧能量濾波器，通常典型地作為施加電信號(hào)的函數(shù)。然而，到目前為止，這些超小型光譜儀在再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和運(yùn)行速度等方面面臨著諸多問題。另一方面，最高的光譜分辨率由利用多模干涉來創(chuàng)建波長相關(guān)空間模式的器件獲得。例如，研究人員先前已經(jīng)從多模光纖錐中漏出的光提取了光譜信息。雖然長度僅有幾百微米的干涉區(qū)域足以獲得皮米光譜分辨率，但需要外部光學(xué)元件來成像并獲取空間模式，這阻礙了這些光譜儀的便攜性的發(fā)展。

在最新一期eLight期刊上，浙江大學(xué)馬耀光及其同事報(bào)道了一種基于多模干涉的緊湊型獨(dú)立計(jì)算重建型光譜儀，該光譜儀將錐形光纖放置在CMOS圖像傳感器上。整個(gè)功能單元的尺寸約為1平方毫米。該光譜儀工作原理如圖1所示。輸入光首先從單模光纖耦合到多模光纖，激發(fā)多個(gè)橫向光學(xué)模式。然后，光纖逐漸變細(xì)，使多個(gè)模式以復(fù)雜的空間模式漏出。由于不同的波長有不同的模式指數(shù)，所以每個(gè)波長的空間模式是唯一的。泄漏的光由CMOS圖像傳感器直接捕獲，并由輕型視覺變換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以低至~ 1pm的分辨率重建輸入光譜。一個(gè)傳感器的單次發(fā)射（幾十毫秒和微瓦）就足以收集到足夠的信息來推導(dǎo)出光譜。值得注意的是，該研究還表明，許多光纖錐可以放置在同一個(gè)傳感器上，從而能夠同時(shí)獲取多個(gè)光譜進(jìn)行光譜成像。

圖1 多模干涉獨(dú)立計(jì)算重建型光譜儀的工作原理

該方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是攜帶光譜信息的光學(xué)模式由成熟的商用CMOS圖像傳感器讀出，這是一種成熟的技術(shù)。因此，這種光譜儀可以與便攜式設(shè)備集成；無需開發(fā)額外的讀出電子設(shè)備。除便攜特性之外，這種光譜儀的制造成本也很低。該團(tuán)隊(duì)提供了一種經(jīng)濟(jì)型（不到15美元）且易于制造的光譜儀設(shè)計(jì)方法（光纖錐甚至可以徒手或利用酒精燈制成）。

這項(xiàng)技術(shù)有望在重視便攜性的光譜儀應(yīng)用中大放異彩。