是否想过这样一种场景，只需要将一个指甲盖大小的模块连接到手机上，再从模块端伸出一根光纤来采集信号，就可以得到一系列数据，能快速检测食品中的致病微生物、水污染元素甚至是奶粉中的三聚氰胺含量……这就是微型光谱仪，如果有望在生活中得到普及，会让许多原本用不起或用不了光谱仪的场景得到重新定义。
近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）极端光学技术与仪器全国重点实验室马耀光研究员团队在微型高性能光谱仪研究中取得了新进展。团队研发出的一款微纳光纤锥光谱仪，可以通过微纳光纤锥的结构对光谱信息进行编码，其工作波段范围为 450nm-1100nm，针对输入光的分辨率能够达到1.5pm级别，核心元件成本控制在百元以内。目前，相关研究成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在《eLight》上。
让光谱仪分辨率达到 1.5pm
在科学研究和工业生产中，光谱仪是非常重要的设备。它既可以反应物质的成份，也可以展示材料的光学特性。从原理上讲，光谱仪可以分成四类：色散型、滤光片型、傅里叶变换型和计算重建型。
人们了解和研究最多的就是色散型。但是，色散型光谱仪往往体积比较大，因为它需要通过利用空间距离来让不同频率的光线分开。而滤光片型光谱仪通常很难拥有较高的分辨率，因为过高的分辨率会导致整个光谱仪的透过率被严重压低，从而影响测量的效率和精度。傅里叶变换型光谱仪则是利用干涉仪结构来反算光谱，一般来说其结构最为复杂，哪怕是片上傅里叶变换型光谱仪的改进版本，也需要大量谐振腔和波导的配合，加工难度和调试难度都比较高。
计算重建型光谱仪是近几年才兴起的研究方向，它一般是通过某种结构对光谱进行编码探测，再借助相应算法进行解调，即可获得光谱信息。马耀光课题组本次研发的光谱仪，正是属于这一类型。马耀光解释称：“计算重建是指在加工微纳光纤时，可以通过工艺参数来控制光纤锥的形貌。使得信号光输入到光纤中，并在光纤中产生传输模式的时候，光纤锥的形貌会对这些模式进行调控，进而通过模式耦合产生大量的高阶模式。”
所产生的高阶模式的数量和耦合系数都是频率的函数，所以就可以把光谱信息包含进来，这也是编码过程的开始。同时，这些高阶模式在传播时，也会逐渐随着光纤直径变细而被截止，这时就会从传播模式转换成泄漏模式，并在探测器上发生干涉，形成结构复杂的散斑。当输入光场的光谱发生细微变化之后，就会在散斑中表现出来，这也意味着编码过程的完成。这时，就可以探测和解调泄漏的光场中包含的光谱信息。
实验一开始，团队就遭遇了瓶颈。他们试图通过缓变光纤锥在衬底上产生的泄漏位置来进行波长的分辨，但后来发现依托这样的方法，只能做到大约3nm到5nm的分辨率。于是，团队开始“死磕”散斑，针对性地测量细节，幸运的是，他们很快就破解了分辨率难题，甚至做到了亚纳米程度。
然而，新问题马上接踵而至。矫正光源怎么找？一方面他们需要极窄的线宽，另一方面又需要比较大的可调范围。在极端光学技术与仪器全国重点实验室的支持下，设备问题逐一得到解决。随后他们对微纳光纤进行了制备、集成、固定、光谱矫正等一系列工艺流程。功夫不负有心人，经过2021年到2022年一整年的测试、重构和改进，光谱仪的分辨率达到1.5pm左右！这意味着这项光谱仪成果在保证微型外观条件下，将分辨率提高至了传统纳米级光谱仪的千倍及以上，这也是极端光学领域可喜的一项新进展。未来，有望满足更多类型的超精密检测以及更加精密的物质识别，例如，我们可以通过一根头发检测出人体中的各类微量元素。
马耀光说，科创中心是一片创新创业的热土，目前，团队正在这里开展更多有关微纳光纤制备、探测器集成等方面的探索，以实现制备封装的自动化，推动技术走向实际应用。
微纳光纤是打破内在限制的关键点
自牛顿利用棱镜观察到色散现象以来，针对光谱技术的研究就在人类发展历程中占据了重要地位。随着光谱分辨率的提高与光谱理论的完善，光谱技术逐步从科学实验领域扩展到了分析应用上，在生物传感、环境监测、天文、医疗等领域都发挥着重要的作用。但是传统光谱仪体积庞大、价格昂贵，因而在实际应用中较难推广。对光谱的测量往往需要使用非常专业的设备或者在专业的检测机构才能进行。
近年来，随着微纳技术的发展，微型光谱仪凭借其体积小、重量轻、操作便捷、结构简单、价格低廉等特点，逐渐被人们所重视。但是，针对光谱仪的低成本、小体积、高性能等要求存在内在的制约关系：减小分光和探测元器件的尺寸将导致光谱仪的分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降，同时有可能增加器件的制造难度与成本。如何利用计算光谱技术进行光谱编码与解码是打破这一内在限制的重要前提。
微纳光纤（MNFs）是研究纳米尺度光与物质相互作用的优秀平台之一。利用其简洁的几何形貌、强光场约束等优点，研究人员利用自制的光纤拉锥机精确控制光纤锥尺寸，对其内部的传导模式产生有效调控。
研究团队利用轻量级Transformer架构的神经网络模型，对微纳光纤锥区泄漏模的干涉散斑进行优化与采集，简洁地实现了基于微纳光纤锥的光谱信息编解码架构，进而构建出一种尺寸在亚毫米量级，分辨率在皮米量级的低成本、高性能微型光纤锥光谱仪。此外通过在CIS上集成多个微纳光纤锥，可以实现高光谱成像的功能。未来，如果在标定过程中进一步考虑偏振态的影响，那么就可以同时获得未知光的光谱和偏振态。论文所提出的光谱仪可应用于食品检验、药物鉴定、个性化健康诊断等领域，成本低廉。
本研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。论文通讯作者为马耀光研究员，共同第一作者为硕士生岑青青和博士生片思杰。硕士生刘鑫航、唐雨薇、何欣莹也为论文工作做出了重要贡献。本论文的完成单位为浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室、杭州国际科创中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心。
极端光学技术与仪器研究院
极端光学技术与仪器研究院（以下简称研究院）成立于2022年9月，是科创中心与浙江大学现代光学仪器国家重点实验室合作共建的重大科技创新平台。研究院聚焦高端光刻机系统集成以及光刻过程中的极端光学检测研究，设立皮米精度干涉检测、跨尺度缺陷检测、光刻系统在线检测、检测系统核心器件四大研究方向，致力于打造成为国家在极端光学检测技术与仪器领域的战略科技力量。
马耀光在个人主页上写道：“好的老师教你知识的目的是让你怀疑一切”。这是他对于教育的独特思考。有时国内教育会以“塑形”为主，学生往往过于顺从，以至于失去做事的热情。他说：“我们学院的学生就有这样的倾向，对于一个课题自己没有动力做调研，更希望老师直接教。我认为应该让同学们自己认识到课题的意义，这样他们才会积极参与，而不是被动应付。”
事实上，马耀光在上课时从来不点名，实验室也不采用打卡的制度，就是希望让大家自由地发挥。“并且在培养学生上，我认为要让他们多多运用自己的知识，来对教材、论文或者我本人的观点进行批判性理解。因此，每次我们开周会都是一个思想碰撞的过程。这时，大家平时是否投入、是否充分理解了自己的课题，就会变得一目了然。”他说。这样一来，在形成更深刻的理解的同时，学生还可以快速形成自己的 idea，从而建立科学探索的基本逻辑。
在这样的训练之下，学生们在毕业之后也可以更从容地独立承担科研任务。哪怕不走科研这条路，这种独立思考的能力无论在哪里都有帮助。马耀光指出，他和团队的核心研究思想是：尽量使用简洁的设计去实现复杂的功能，也就是 less is more。未来，他们会继续沿着这条思路，把偏振信息的探测结合到光谱仪里，以期在实现多模态探测的同时，还能让光纤制备和器件封装都通过机器自动完成，从而保证相应的良率。
文章来源： DeepTech深科技，浙江大学杭州国际科创中心 ，MEMS