Nature Photonics：超微型中红外光谱仪

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撰稿 | Yue（哈工大，博士生）

光谱仪(Spectrometer)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，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、化学分析等科学研究和众多行业技术发展的基石仪器。（拓展阅读☛ ）

图1：复享光谱仪

图源：复享光学

然而，传统光谱仪通常由可移动的机械零件组成，导致其体积庞大无法满足对手持、便携以及集成式光谱仪器件的尺寸要求，因此微型光谱仪的开发已迫在眉睫。

大多数微型光谱仪需要大量的光电检测元件来捕捉入射光的不同光谱成分并重建光谱。因此，光谱仪的尺寸无法摆脱对探测器数量的依赖。

基于此，耶鲁大学的夏丰年副教授（）等人开发出一种超微型中红外光谱仪，而这种光谱仪的优势是在于光不需要在空间上分成不同的部分。

图2：光谱艺术效果图

图源：Light新媒体

其相关成果以 A wavelength-scale black phosphorus spectrometer 为题发表在 Nature Photonics。

该光谱仪采用了单个可调谐的黑磷（Black phosphorus, BP）光电探测器，其有效面积仅为9×16 µm⊃2;，它可以测量 2 到 9 微米光谱范围内的光，并且是在工作波长范围内构建的。可以调整其黑磷光电探测器中的光-物质相互作用以捕获不同的光谱成分。

黑磷，是一种具有可控带隙和高载流子迁移率的二维半导体材料，被广泛应用于各种科研项目当中。文中的超微型光谱仪便是在黑磷探测器的基础上进行设计的，其结构如图3所示。

图3：光谱仪示意图（左）和两个光谱仪的光学图像（右）

图源：Nature Photonics

该光谱仪利用一种算法，为其提供独特的光谱学习过程。研究人员利用光谱仪的波长标度和从可调黑体源光谱中学习到的与偏置相关的响应度矩阵，从相应的光响应向量中重建了未知光谱。

该光谱仪的工作，主要分为三个步骤：

（1）学习（learning），通过使用温度可调的黑体源以及独特的光谱学习程序来训练响应度模型并获取光谱响应度矩阵；

（2）采样（sampling），使用黑磷光谱仪对未知光谱的入射光进行测量并记录其光电响应矩阵，而最重要的是，该光谱仪可以借助黑磷的电调谐特性增加采样点的数量，以提高所选光谱范围内的分辨率，甚至有望超出奈奎斯特-香农极限。

（3）重建（reconstruction），根据接收到的光电流数据将未知光谱进行重建，该过程类似于逆向的学习过程。

图4：黑磷光谱仪的(a, b)学习、(c, d)采样和(e)重建过程示意图

图源：Nature Photonics

该光谱仪可以重建单色光和宽带光的光谱，并且不需要与笨重的干涉仪、光栅或红外激光器配对。它还可以通过电气方式重新配置。

恰恰因为该光谱仪具备上述特性，使其成为片上中红外光谱仪非常合适且价格合理的选择。

表1 该新型超微型光谱仪与其他微型光谱仪（典型）对比

表源：Nature Photonics

表译：撰稿人 Yue

这种超微型单探测器光谱仪的连续测量光谱信息的能力（尽管分辨率适中）可能使其在检测对汽车、无人机和卫星的潜在危害方面比红外摄像机更有效。并且，这项工作中所展示的同时结合硬件和软件优势的思路，将改变医学、农业和食品质量控制方面的商业应用。

论文信息

Yuan, S., Naveh, D., Watanabe, K. et al. A wavelength-scale black phosphorus spectrometer. Nat. Photonics (2021).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00787-x

编辑 | 赵阳

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原标题：《Nature Photonics：超微型中红外光谱仪》

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