四大類微型光譜儀的30年進展

　　光譜儀能夠直接反映物質的光譜信息，得到目標的存在狀況與物質成分，是材料表征、化學分析等領域最重要的測試儀器之一。

　　隨著光譜分析領域的快速發展，對光譜儀尺寸、成本和功耗的要求日益提高，對手持、便攜、集成式光譜分析器件的尺寸要求達到亞毫米量級。單純通過壓縮傳統系統尺寸已無法實現這些目標，從1990年起，各種微型光譜系統逐漸出現。

　　近日，上海交通大學的蔡偉偉特別研究員，浙江大學的楊宗銀研究員等人在Science上發表了綜述文章“Miniaturization of optical spectrometers”。

　　研究人員將微型光譜儀歸納為四大類（圖1）：色散型（Dispersive optics）、窄帶濾波型（Narrowband filters）、傅里葉變換型（Fourier transform）和計算重建型（Reconstructive），詳細介紹了它們的工作原理和優缺點，系統性地總結了30年來微型光譜儀的發展歷程。

　　1. 色散型

　　色散型光譜儀一般由一個或多個衍射光柵、一段光程以及一個探測陣列組成。光通過入射狹縫被準直照射在衍射光柵上，衍射光柵將光譜成分分散到不同的方向，最后凹面鏡將分散的光聚焦到探測器陣列上得到光譜分布。這種光譜儀擁有超高分辨率、寬光譜范圍和成熟的技術路線，被廣泛使用在各個領域，但其依賴于笨重的色散元件、長光程等，難以實現尺寸的壓縮。

　　通過縮短光程、簡化光路、利用微納制造減小元件尺寸等方法都能實現光譜儀尺寸的減小，但是這些方法會降低光譜分辨率和儀器性能。采用凹面光柵（圖2A）、光柵-菲涅耳透鏡（圖2B）等作為衍射元件能夠省略準直和反射元件，實現系統尺寸的壓縮，并且已經實現了商業應用。

　　波導作為自由空間光學的替代品，可以通過倏逝耦合來測量入射光光譜或被分析物的吸收光譜，能夠減小光譜儀尺寸而不影響性能。在波導平面上加入如光柵（圖3A）、光子晶體（圖3B）、全息元件（圖3C）、平面階梯光柵（圖3D）、透射波導光柵（圖3E）、陣列波導光柵（圖3F）等色散元件能夠進一步減小光譜儀的尺寸，但制造誤差，波導損耗和波導耦合等問題還亟待解決。

　　此外，進一步減小光電探測器陣列的尺寸、提高探測靈敏度也能夠實現性能更好的微型光譜儀，使用超導納米線的單光子顯微光譜儀已經能夠進行超細光譜分析。

　　2. 窄帶濾波型

　　窄帶濾波器能夠選擇性地傳輸特定波長的光，實現對光譜的檢測，器件平面化且不需要長光程，在系統小型化方面具有極強的優勢。主要分為隨時間變化的單個窄帶濾波片型和隨空間變化的窄帶濾波片陣列型。

　　（1）可調濾波型光譜儀

　　聲光可調濾波器(AOTF)、液晶可調濾波器(LCTF)、Fabry-Pérot濾波器和微環諧振器等能夠通過施加電壓或聲波信號來分離光譜成分，實現對光譜快速動態地調控。但AOTF中雙折射晶體的尺寸較大，LCTF包含許多偏振器和液晶電池，都限制了光譜儀的小型化。

　　可調Fabry-Pérot濾波器由厚度可變的諧振腔組成，通過改變腔長（d）、介質折射率（n）、入射角度（θ）即可實現透射波長的變化，其中，腔長可以通過靜電或壓電驅動器調控（圖4A、B），折射率可以通過電光可調鈮酸鋰（LiNbO3）或液晶作為腔體介質實現調控，角度可以通過旋轉濾光片改變入射角調控，但高光譜分辨率Fabry-Pérot光譜儀需要高反射率腔，而高反射率腔對應低透射率和低信噪比。

　　使用分布式布拉格反射鏡能夠解決這一問題，但它們的成本較高，制造工藝復雜，且加工誤差也會降低光譜分辨率。

　　（2）濾波器陣列和線性可變濾波器

　　隨時間變化的可調窄帶濾波光譜儀犧牲了時間響應，無法實現高速的光譜探測。但窄帶濾波器陣列和線性可變濾波器能夠同時測量多個光譜分量，實現對光譜的快速檢測。

　　濾波片陣列的每個濾波片能夠將特定波長的光譜傳輸到光電探測器上，已經應用于許多微型光譜儀中。濾波陣列由Fabry-Pérot標準具（圖5A）、薄膜、平面光子晶體、超構表面、波導環形諧振腔（圖5B）等組成，每個濾波片對應不同的透射波長，通道的數量越多光譜分辨率越高。

　　采用楔形或組合漸變的線性可變濾波器的透射或反射光譜能夠沿著濾波器的一個軸連續變化，實現寬譜段濾波（圖6A、B）。此外，還可以令濾波片在單個探測器上滑動，通過掃描頻譜實現連續濾波，但是這種方法相對緩慢且需要額外的移動部件。

　　3. 傅里葉變換型

　　傅里葉變換型（FT）光譜儀通常用于紅外吸收或發射光譜的測量，通過對探測器得到的干涉圖進行傅里葉變換獲得待測光譜，具有信噪比高、尺寸小、成本低的優勢。根據干涉儀內的光程長度隨時間變化的機制分為移動式和固定式兩種。

　　移動式基于邁克爾遜干涉儀（圖7A），利用靜電、電磁或電熱驅動的微機電系統操縱反射鏡，難以與平面光源集成且光譜分辨率受限于驅動器的行程。固定式基于馬赫-曾德干涉儀，入射光被分成不同光路產生相位差，或利用干涉儀陣列形成空間外差（圖7B），但這種光譜儀尺寸受限于光程差和干涉儀個數。

　　在此基礎上，利用電光調制效應的單個可調干涉儀得到了進一步發展，如基于熱光學效應的鈮酸鋰波導（圖8）和采用光子電路的數字干涉儀，其分辨率取決于路徑的數量或光譜通道數，并且利用壓縮感知、機器學習等方法能夠提高光譜分辨率并校正溫度和加工誤差的影響。

　　基于微型FT干涉儀的變體是駐波傅里葉變換光譜儀(SWIFTS)，兩個反向傳播的光波發生干涉，在單模閉環波導中產生駐波，波導頂部以規則間距沉積了金屬納米帶，通過對倏逝場和駐波相對強度的采樣，得到空間干涉圖。但受限于采樣點的間距，干涉圖往往欠采樣，光譜測量范圍有限。

　　最近開發了一種新的SWIFTS系統（圖9），利用電光效應通過施加電壓使空間干涉圖沿著波導移動，即使使用固定的納米采樣陣列，也可以對整個干涉圖進行采樣，光譜范圍寬、分辨率高。

　　但這些系統目前還依賴于外部攝像機對干涉圖進行散射成像，不適合極端小型化。

　　4. 計算重建型

　　隨著計算技術的發展，在過去的十年中，出現了一種新的光譜儀類型，通過計算來近似或“重建”入射光光譜。主要分為光譜-空間映射型和光譜響應調制型。

　　（1）光譜-空間映射

　　在傳統基于光柵的光譜儀中，光譜域的一個點（一個波長）被映射到空間域的一個點（一個探測器），這種一對一的光譜-空間映射極大限制了對空間占用的減少和光譜分辨率的提高。

　　計算光譜型采用一對多的復雜映射，為不同波長創建不同的特征譜，當單色光通過色散元件時，將在輸出端產生與波長對應的特征譜。當多色光通過時，輸出則是各波長特征譜的疊加，待測光譜的本質是這些特征譜權重值的集合，通過解算線性方程組的解，可以得到編碼在其中的待測光譜分布。特征譜之間的差異性決定了重構光譜儀的分辨率，差異性越大，光譜分辨率越高（圖10A-E）。

　　但因為溫度變化會影響不同波長的特征譜，該類型的微型光譜儀容易受到溫度變化的影響。

　　（2）空間響應調制

　　第二種方法是通過設計探測器或將光學元件與探測器集成等方法為每個探測器定制不同的光譜響應。通過求解探測器的光譜響應函數獲得待測光譜，但是這種類型的光譜儀需要單獨設計加工濾波器和探測器陣列，增加了制造復雜性，限制了系統小型化（圖11A-D）。本文作者提出了一種基于帶隙漸變的納米線探測器的計算光譜儀，將波長選擇和探測功能集成到單個納米結構中，將系統尺寸降低了兩個數量級(圖11E）。

　　微型光譜儀的發展潛力巨大，光柵色散型、基于微機電系統的可調濾波型和傅里葉變換型微型光譜儀已經實現了商業化應用，并且隨著計算技術的快速發展，因小型化而導致的檢測性能下降問題也將被進一步解決。微型光譜儀將在智能手機、衛星和無人機、可穿戴設備等應用中出現，為農業、礦物、醫學、公共消費等領域開辟新的道路。