研究： 在皮米级的微锥中不需要泄漏模式
发布时间：2023-05-10 00:00:00.000Z
该光谱仪只拍摄一张快照，以皮米级的分辨率获得光谱信息，工作范围为0.3-1微米。信用： 岑青青, 卞思杰, 刘新航, 唐玉伟, 何新英, 马耀光
通过快照测量获得丰富的光-物质相互作用信息的精确性，使得光学光谱学在现代工业和科学研究中是不可或缺的。传统上笨重的光谱仪的小型化已被广泛的应用所推动，包括生物/医学传感、材料分析、光通信和光源表征。
在相当长的一段时间里，研究人员一直在设计光谱仪，以降低成本、提高灵活性、缩小尺寸、提高稳定性和性能。然而，上述各方面固有的权衡限制了小型化这一长期主题的推进。一般来说，带有色散元件的光谱仪需要额外的空间分离，并倾向于留下一个大的足迹。
基于滤波器（包括窄带和重构类型）的设计受到吸收或反射引起的功率损失的影响，并且由于通道数量有限，分辨率和带宽也受到限制。片上光谱仪依赖于纳米加工，对于宽带操作来说，其耦合效率往往非常低。
最重要的是，一个灵活的、低成本的、具有稳定的高性能的微型光谱仪仍然遥遥无期。
在发表于《eLight》的一篇新论文中，由浙江大学马耀光教授领导的一个科学家团队开发了一个紧凑的光谱仪，该光谱仪集成了多个锥尖用于高光谱成像。
该光谱仪利用从一个弯曲的微纤维锥尖投射出的复杂的泄漏模式斑点，独特地确定了输入信号的波长。通过与互补金属氧化物半导体（CMOS）成像传感器的固体封装，我们的光谱仪的数据采集可以使用单个快照完成，不需要外部设备。
一个轻量级的视觉变换器（ViT）网络被用来分析CMOS图像传感器（CIS）记录的复杂帧。训练后可以很容易地构建光谱信息和漏电模式图像之间的关联性。此外，这个微小的高性能设备是用低成本的元件制造的（光谱仪的核心部件成本低于15美元）。它可以在保持准确性和可靠性的前提下长期使用。
多模干扰可以产生与光谱信息相关的随机斑点。然而，大多数基于它的光谱仪设计依赖于随机介质，如粗糙表面、多模光纤、积分球或光子晶体。这些通常需要额外的笨重或昂贵的设备，如高性能相机甚至显微镜，来完成测量。
另一方面，微纤维是操纵光场的理想工具，它们具有可定制的色散和小的足迹。实验通常使用微纤维来限制光纤内的光，使其尽可能长地传播。如果在非绝热条件下拉出一个微纤维锥体，由纤维几何形状引起的不同模式之间的耦合将产生泄漏模式，这在微纤维应用中通常是不受欢迎的。
然而，来自浙江大学的研究人员通过研究诱导的随机斑点来恢复隐藏的光谱信息，同时对锥度的拉伸条件进行工程设计，以便在1毫米的锥度区域内最大限度地产生泄漏模式，从而设法利用泄漏模式。该光谱仪可以在0.3-1毫米区域内操作。通过快照测量可以达到1.5pm的分辨率。
所展示的低成本、可扩展的光谱仪也可以在一个CIS芯片上大规模地实现，以展示高光谱成像。来自拟议的微锥体高光谱成像仪的数据与来自传统光谱仪的数据之间的高度一致显示了其设计的巨大潜力。
参考资料：Qingqing Cen et al, Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00041-7
