近日，國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款中紅外光譜儀，器件直徑比人類頭發(fā)絲還小。中紅外光譜儀廣泛應(yīng)用于溫室氣體檢測，且可以使自動(dòng)駕駛汽車更安全。因此，研究者近年來對(duì)開發(fā)緊湊型片上光譜儀非常感興趣。傳統(tǒng)光譜儀體積較大且價(jià)格昂貴，而片上光譜儀可極大地?cái)U(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍和易用性。

　　為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，來自美國、以色列和日本的研究人員共同開發(fā)出一款超緊湊型片上中紅外光譜儀。此項(xiàng)研究由耶魯大學(xué)工程與科學(xué)學(xué)院Barton L. Weller副教授和Fengnian Xia、以色列巴伊蘭大學(xué)（Bar-Ilan University）Doron Naveh教授以及日本國立材料科學(xué)研究所（National Institute for Materials Science）Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi進(jìn)行合作。

　　光譜儀是跨學(xué)科科學(xué)研究和許多行業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石儀器，從溫室氣體檢測到自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域均有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但傳統(tǒng)光譜儀（如光柵光譜儀和傅里葉變換光譜儀）大部分是由可移動(dòng)的機(jī)械部件組成，體積龐大，成本較高，而解決這一問題最好的辦法便是：片上光譜儀。

　　BP在帶隙為0.3eV的條件下具有較高的載流子遷移和較高的光學(xué)吸收特性，這使得它成為中紅外光電導(dǎo)體的潛在候選材料之一。Fengnian Xia等人正是利用BP材料和先進(jìn)算法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了緊湊型片上光譜儀的制備，該光譜儀借助BP的材料特性可以通過調(diào)整光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光譜成分的捕獲，從而在2~9 μm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)光電探測的功能。此外，該光譜儀的尺寸僅為9×16 μm2，其大小與測量的目標(biāo)光波長相當(dāng)，雖然可以通過優(yōu)化將設(shè)備做的更小，但由于衍射的限制，設(shè)備的縮小并不會(huì)進(jìn)一步提高其空間分辨率。

　　與傳統(tǒng)光譜儀不同的是，該設(shè)備不依賴于諸如干涉儀或可調(diào)諧紅外激光器之類的先進(jìn)光學(xué)組件，為光譜儀的極端小型化開辟了可能性。研究人員還表示，目前大部分的汽車、無人機(jī)和衛(wèi)星設(shè)備通常都配有紅外攝像頭以拍攝灰度熱圖像來檢測行人、車輛和其他危險(xiǎn)信息，此次設(shè)計(jì)的光譜儀由于連續(xù)測量的性能可以對(duì)此類潛在危險(xiǎn)信息具有更高的檢測能力，甚至可以將其應(yīng)用于遙感系統(tǒng)當(dāng)中。

　　這款光譜儀采用了Fengnian Xia實(shí)驗(yàn)室長期研究的一種材料—黑磷（BP），從而使該基于單個(gè)可調(diào)諧光電探測器在2至9微米波長范圍內(nèi)運(yùn)行。黑磷厚度約為10納米，允許用戶調(diào)整光與物質(zhì)的相互作用，從而捕獲不同的光譜成分，這也是該器件成功的關(guān)鍵。此外，先進(jìn)的算法對(duì)于該光譜儀也非常重要，可將光譜學(xué)中部分固有復(fù)雜性由硬件轉(zhuǎn)移到軟件。

　　這款光譜儀尺寸為9×16平方微米，遠(yuǎn)小于人類發(fā)絲橫截面，且其尺寸與所測量的光波長相當(dāng)。即使光譜儀尺寸變得更小，由于衍射現(xiàn)象，其性能也不會(huì)有太大改進(jìn)，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，光線無法集中于比其波長小太多的焦點(diǎn)。

　　巴伊蘭大學(xué)的Doron Naveh教授表示：“非常高興可以開發(fā)出這款緊湊且高性能的光譜儀。我們希望可將此項(xiàng)工作中硬件和軟件的發(fā)展原則，從而推動(dòng)其在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量控制領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用?！?/p>

　　傳統(tǒng)光譜儀會(huì)將光按構(gòu)成光譜的顏色分離。Fengnian Xia實(shí)驗(yàn)室博士生以及該研究的主要作者Shaofan Yuan表示：“新款光譜儀比傳統(tǒng)的光分離光譜儀更具優(yōu)勢，因此光無需在空間上分離為不同部分?！?/p>

　　與傳統(tǒng)光譜儀不同，該光譜儀不依賴諸如干涉儀或可調(diào)諧紅外激光器等先進(jìn)光學(xué)組件，因此有可能會(huì)使光譜儀的尺寸達(dá)到最小，并可實(shí)現(xiàn)片上、經(jīng)濟(jì)型的中紅外光譜和可見光光譜成像。研究人員指出，汽車、無人機(jī)和衛(wèi)星通常會(huì)配備紅外攝像頭，可以拍攝灰度熱像圖來檢測行人、車輛和其他危險(xiǎn)。Fengnian Xia實(shí)驗(yàn)室的新款光譜儀在此類潛在威脅檢測方面能力較高，因此盡管分辨率不夠高，也可連續(xù)測量光譜信息。此外，新款光譜儀還可用于遙感。