指尖上的超構(gòu)透鏡光譜儀和微納光纖錐光譜儀

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，澳門(mén)大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院劉宏超等研究人員在Light: Science & Applications期刊發(fā)表了以“Metalens and microtaper spectrometers on a fingertip”為主題的評(píng)述文章。

隨著片上集成光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究人員正在尋求制造易于集成到各種設(shè)備和系統(tǒng)中的緊湊型便攜式光譜儀的方法。這些微型光譜儀有望對(duì)光與物質(zhì)相互作用進(jìn)行高精度的測(cè)量，從而能夠識(shí)別不同材料的化學(xué)成分、檢測(cè)環(huán)境中的污染物，并實(shí)時(shí)診斷醫(yī)療狀況。這促進(jìn)了光譜儀各類(lèi)新興應(yīng)用的發(fā)展，從醫(yī)療保健與生物技術(shù)領(lǐng)域（例如可穿戴醫(yī)療器械）到環(huán)境監(jiān)測(cè)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域（例如手持式環(huán)境探測(cè)器）。盡管光譜儀的微型化仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，但近年來(lái)納米制造技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步使得制造出功能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)、緊湊型的光譜儀成為可能，這些光譜儀能夠提供高質(zhì)量的光譜探測(cè)能力。隨著對(duì)微型光譜儀需求的不斷增長(zhǎng)，研究人員正在不斷拓寬其性能極限，以期為光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)令人激動(dòng)的創(chuàng)新。

超構(gòu)表面（Metasurfaces）和微纖維憑借其超緊湊的特性，在各類(lèi)光學(xué)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。作為一種典型的超構(gòu)表面，超構(gòu)透鏡（metalens）能夠自由操縱光的色散，并精確控制光的路徑，使其成為成像和光通信領(lǐng)域的理想選擇。同時(shí)，微纖維能夠以最小的失真?zhèn)鬏敽头瓷涔?，使其成為光譜測(cè)量的有效工具。近期發(fā)表在Light: Science & Applications和eLight期刊上的兩篇論文中，來(lái)自英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）和我國(guó)浙江大學(xué)的兩支研究團(tuán)隊(duì)分別提出了利用多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡以及漏模微納光纖錐來(lái)獲取高分辨率的光譜信息。

在“Compact multi-foci metens spectrometer”論文中，英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)陳獻(xiàn)忠教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可以聚焦多波長(zhǎng)光的多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡，如圖1左側(cè)所示。多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡通常具有小平面結(jié)構(gòu)，可以將不同顏色的光同時(shí)聚焦到多個(gè)焦點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)單鏡頭光譜探測(cè)和成像。雖然已有研究人員提出了子區(qū)域設(shè)計(jì)和折疊超構(gòu)透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)色散控制，但每個(gè)波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的像素有限，往往導(dǎo)致光束聚焦質(zhì)量差或不同焦距下的多個(gè)焦點(diǎn)。該研究創(chuàng)造性地展示了在同一焦平面上具有多個(gè)離軸焦點(diǎn)的緊湊型超構(gòu)透鏡，其光斑大小和最大強(qiáng)度幾乎相同，從而完美有效地解決了這一問(wèn)題。基于超構(gòu)透鏡器件的本征色散和多焦特性，波長(zhǎng)信息被轉(zhuǎn)換為在同一平面上的不同焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在單色和多色光束的照射下，該緊湊型超構(gòu)透鏡光譜儀能夠在180個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)處對(duì)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行分離和聚焦。而在工作距離為300 μm的可見(jiàn)光波段，它可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)寬帶光譜分辨率。憑借易于制造的特點(diǎn)，這種基于超構(gòu)透鏡的光譜儀技術(shù)在片上集成光子學(xué)和緊湊型光譜應(yīng)用（例如化學(xué)傳感和環(huán)境監(jiān)測(cè)）等方面顯示出巨大的潛力。

圖1 指尖上的超構(gòu)透鏡光譜儀和微納光纖錐光譜儀示意圖

在另一篇論文“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”中，研究人員提出將具有增強(qiáng)漏模的微納光纖錐用于光譜傳感，如圖1右側(cè)所示。微纖維是操縱光場(chǎng)的理想小尺寸工具。微納光纖錐是一種基于微纖維的器件，在非絕熱條件下，它可以在短距離內(nèi)迫使導(dǎo)模變?yōu)槁┠！Ｒ延醒芯刻岢龉饫w中的多模干涉會(huì)產(chǎn)生與光譜信息相關(guān)的隨機(jī)散斑，例如，利用級(jí)聯(lián)無(wú)芯光纖和光子晶體光纖制成了一種緊湊型全光纖散斑光譜儀。然而，如粗糙表面和多模光纖等傳統(tǒng)方法，通常需要笨重且昂貴的探測(cè)器來(lái)測(cè)量散斑，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。此外，在以前的研究中，漏模通常被認(rèn)為是不可取的。浙江大學(xué)馬耀光研究員的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出使用微納光纖錐的漏模作為獲取光譜信息的手段。眾所周知，通過(guò)調(diào)整光纖的幾何形狀可以產(chǎn)生漏模。研究人員構(gòu)建了一種可擴(kuò)展的光譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了彎曲的微纖維錐形尖端、CMOS圖像傳感器以及輕量級(jí)視覺(jué)轉(zhuǎn)換器（ViT）網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)高光譜成像。在該系統(tǒng)中，由于光纖幾何形狀產(chǎn)生的不同模式之間的耦合，微纖維錐形尖端會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的漏模散斑。然后，憑借光纖錐形結(jié)構(gòu)易于制造和集成的特性，數(shù)據(jù)采集由CMOS圖像傳感器完成。ViT網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的大腦，最終可以識(shí)別光譜信息與漏模圖像之間的相關(guān)性。當(dāng)光穿透微納光纖錐時(shí)，它會(huì)激發(fā)對(duì)入射光譜高度敏感的漏模。通過(guò)測(cè)量漏模的散斑，研究人員可以提取輸入光場(chǎng)的光譜信息。這種微納光纖錐光譜儀可以在450 nm至1000 nm的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，分辨率高達(dá)1 pm。此外，該光譜儀核心元件的成本低于15美元，使其成為光譜傳感應(yīng)用的低成本解決方案。這種靈活穩(wěn)定的光譜儀系統(tǒng)有望在食品檢驗(yàn)、藥品鑒定、個(gè)性化健康診斷等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

上述兩項(xiàng)研究都展示了對(duì)超緊湊元件的利用，分別是300 μm × 300 μm的超構(gòu)透鏡以及1 mm2的微納光纖錐，二者都構(gòu)建出了高分辨率的光譜儀。這兩項(xiàng)研究展現(xiàn)了超構(gòu)透鏡和微納光纖錐在光譜傳感和分析領(lǐng)域的廣泛用途和創(chuàng)新潛力。雖然這兩項(xiàng)工作都有助于促進(jìn)光譜儀微型化發(fā)展，但它們?cè)诠庾V分析方法上有所不同。在第一項(xiàng)研究中，超構(gòu)透鏡是一種直接光譜儀，它將多波長(zhǎng)的光分離并聚焦到同一平面上預(yù)先設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)上，從而可以直接讀取不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)分布。而在第二項(xiàng)研究中，微納光纖錐是作為漏模的發(fā)生器，根據(jù)不同的光譜信息產(chǎn)生不同的散斑。然后，需要利用一個(gè)計(jì)算過(guò)程來(lái)獲得最終的光譜。這兩種光譜儀皆具有良好的靈活性、穩(wěn)定性和高分辨率，這使其成為指尖上的光譜儀的潛在選擇，尤其適用于線(xiàn)譜的測(cè)量。然而，連續(xù)光譜的重要性不容忽視，進(jìn)一步的研究有望探索其在不同類(lèi)型的光譜檢索中的潛力。綜上所述，這兩項(xiàng)研究拓展了光譜儀微型化的范圍，提供了提高分辨率和工作帶寬的新方法，并引導(dǎo)了新興光譜儀的發(fā)展方向。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01217-z