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微型光谱仪的30年进展

2021-02-09 08:15

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学收录于话题#光谱学2个

招募撰稿人/主笔

撰稿 | 靳淳淇（清华大学博士后）

光谱仪能够直接反映物质的光谱信息，得到目标的存在状况与物质成分，是材料表征、化学分析等领域最重要的测试仪器之一。

随着光谱分析领域的快速发展，对光谱仪尺寸、成本和功耗的要求日益提高，对手持、便携、集成式光谱分析器件的尺寸要求达到亚毫米量级。单纯通过压缩传统系统尺寸已无法实现这些目标，从1990年起，各种微型光谱系统逐渐出现。

艺术插图/来源：长春光机所，Light学术出版中心,，新媒体工作组

近日，上海交通大学的蔡伟伟特别研究员，浙江大学的杨宗银研究员等人在Science上发表了综述文章“Miniaturization of optical spectrometers”。

研究人员将微型光谱仪归纳为四大类（图1）：色散型（Dispersive optics）、窄带滤波型（Narrowband filters）、傅里叶变换型（Fourier transform）和计算重建型（Reconstructive），详细介绍了它们的工作原理和优缺点，系统性地总结了30年来微型光谱仪的发展历程。

图1.微型光谱仪的分类

图源：Science

1. 色散型

色散型光谱仪一般由一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个探测阵列组成。光通过入射狭缝被准直照射在衍射光栅上，衍射光栅将光谱成分分散到不同的方向，最后凹面镜将分散的光聚焦到探测器阵列上得到光谱分布。这种光谱仪拥有超高分辨率、宽光谱范围和成熟的技术路线，被广泛使用在各个领域，但其依赖于笨重的色散元件、长光程等，难以实现尺寸的压缩。

通过缩短光程、简化光路、利用微纳制造减小元件尺寸等方法都能实现光谱仪尺寸的减小，但是这些方法会降低光谱分辨率和仪器性能。采用凹面光栅（图2A）、光栅-菲涅耳透镜（图2B）等作为衍射元件能够省略准直和反射元件，实现系统尺寸的压缩，并且已经实现了商业应用。

图2. 基于凹面光栅（A）、光栅-菲涅耳透镜（B）的色散型微型光谱仪

图源：Science

波导作为自由空间光学的替代品，可以通过倏逝耦合来测量入射光光谱或被分析物的吸收光谱，能够减小光谱仪尺寸而不影响性能。在波导平面上加入如光栅（图3A）、光子晶体（图3B）、全息元件（图3C）、平面阶梯光栅（图3D）、透射波导光栅（图3E）、阵列波导光栅（图3F）等色散元件能够进一步减小光谱仪的尺寸，但制造误差，波导损耗和波导耦合等问题还亟待解决。

图3.基于波导和色散元件的微型光谱仪

图源：Science

此外，进一步减小光电探测器阵列的尺寸、提高探测灵敏度也能够实现性能更好的微型光谱仪，使用超导纳米线的单光子显微光谱仪已经能够进行超细光谱分析。

2. 窄带滤波型

窄带滤波器能够选择性地传输特定波长的光，实现对光谱的检测，器件平面化且不需要长光程，在系统小型化方面具有极强的优势。主要分为随时间变化的单个窄带滤波片型和随空间变化的窄带滤波片阵列型。

（1）可调滤波型光谱仪

声光可调滤波器(AOTF)、液晶可调滤波器(LCTF)、Fabry-Pérot滤波器和微环谐振器等能够通过施加电压或声波信号来分离光谱成分，实现对光谱快速动态地调控。但AOTF中双折射晶体的尺寸较大，LCTF包含许多偏振器和液晶电池，都限制了光谱仪的小型化。

可调Fabry-Pérot滤波器由厚度可变的谐振腔组成，通过改变腔长（d）、介质折射率（n）、入射角度（θ）即可实现透射波长的变化，其中，腔长可以通过静电或压电驱动器调控（图4A、B），折射率可以通过电光可调铌酸锂（LiNbO3）或液晶作为腔体介质实现调控，角度可以通过旋转滤光片改变入射角调控，但高光谱分辨率Fabry-Pérot光谱仪需要高反射率腔，而高反射率腔对应低透射率和低信噪比。

图4. 基于Fabry-Pérot滤波器的可调窄带滤波型光谱仪

图源：Science

使用分布式布拉格反射镜能够解决这一问题，但它们的成本较高，制造工艺复杂，且加工误差也会降低光谱分辨率。

（2）滤波器阵列和线性可变滤波器

随时间变化的可调窄带滤波光谱仪牺牲了时间响应，无法实现高速的光谱探测。但窄带滤波器阵列和线性可变滤波器能够同时测量多个光谱分量，实现对光谱的快速检测。

滤波片阵列的每个滤波片能够将特定波长的光谱传输到光电探测器上，已经应用于许多微型光谱仪中。滤波阵列由Fabry-Pérot标准具（图5A）、薄膜、平面光子晶体、超构表面、波导环形谐振腔（图5B）等组成，每个滤波片对应不同的透射波长，通道的数量越多光谱分辨率越高。

图5.窄带滤波阵列型光谱仪

图源：Science

采用楔形或组合渐变的线性可变滤波器的透射或反射光谱能够沿着滤波器的一个轴连续变化，实现宽谱段滤波（图6A、B）。此外，还可以令滤波片在单个探测器上滑动，通过扫描频谱实现连续滤波，但是这种方法相对缓慢且需要额外的移动部件。

图6. 线性可变型窄带滤波光谱仪

图源：Science

3. 傅里叶变换型

傅里叶变换型（FT）光谱仪通常用于红外吸收或发射光谱的测量，通过对探测器得到的干涉图进行傅里叶变换获得待测光谱，具有信噪比高、尺寸小、成本低的优势。根据干涉仪内的光程长度随时间变化的机制分为移动式和固定式两种。

移动式基于迈克尔逊干涉仪（图7A），利用静电、电磁或电热驱动的微机电系统操纵反射镜，难以与平面光源集成且光谱分辨率受限于驱动器的行程。固定式基于马赫-曾德干涉仪，入射光被分成不同光路产生相位差，或利用干涉仪阵列形成空间外差（图7B），但这种光谱仪尺寸受限于光程差和干涉仪个数。

图7.傅里叶变换型微型光谱仪

图源：Science

在此基础上，利用电光调制效应的单个可调干涉仪得到了进一步发展，如基于热光学效应的铌酸锂波导（图8）和采用光子电路的数字干涉仪，其分辨率取决于路径的数量或光谱通道数，并且利用压缩感知、机器学习等方法能够提高光谱分辨率并校正温度和加工误差的影响。

图8.利用热光学效应的可调傅里叶变换型光谱仪

图源：Science

基于微型FT干涉仪的变体是驻波傅里叶变换光谱仪(SWIFTS)，两个反向传播的光波发生干涉，在单模闭环波导中产生驻波，波导顶部以规则间距沉积了金属纳米带，通过对倏逝场和驻波相对强度的采样，得到空间干涉图。但受限于采样点的间距，干涉图往往欠采样，光谱测量范围有限。

最近开发了一种新的SWIFTS系统（图9），利用电光效应通过施加电压使空间干涉图沿着波导移动，即使使用固定的纳米采样阵列，也可以对整个干涉图进行采样，光谱范围宽、分辨率高。

图9. 驻波傅里叶变换型光谱仪

图源：Science

但这些系统目前还依赖于外部摄像机对干涉图进行散射成像，不适合极端小型化。

4. 计算重建型

随着计算技术的发展，在过去的十年中，出现了一种新的光谱仪类型，通过计算来近似或“重建”入射光光谱。主要分为光谱-空间映射型和光谱响应调制型。

（1）光谱-空间映射

在传统基于光栅的光谱仪中，光谱域的一个点（一个波长）被映射到空间域的一个点（一个探测器），这种一对一的光谱-空间映射极大限制了对空间占用的减少和光谱分辨率的提高。

计算光谱型采用一对多的复杂映射，为不同波长创建不同的特征谱，当单色光通过色散元件时，将在输出端产生与波长对应的特征谱。当多色光通过时，输出则是各波长特征谱的叠加，待测光谱的本质是这些特征谱权重值的集合，通过解算线性方程组的解，可以得到编码在其中的待测光谱分布。特征谱之间的差异性决定了重构光谱仪的分辨率，差异性越大，光谱分辨率越高（图10A-E）。

图10. 光谱-空间映射型光谱仪

图源：Science

但因为温度变化会影响不同波长的特征谱，该类型的微型光谱仪容易受到温度变化的影响。

（2）空间响应调制

第二种方法是通过设计探测器或将光学元件与探测器集成等方法为每个探测器定制不同的光谱响应。通过求解探测器的光谱响应函数获得待测光谱，但是这种类型的光谱仪需要单独设计加工滤波器和探测器阵列，增加了制造复杂性，限制了系统小型化（图11A-D）。本文作者提出了一种基于带隙渐变的纳米线探测器的计算光谱仪，将波长选择和探测功能集成到单个纳米结构中，将系统尺寸降低了两个数量级(图11E）。