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重要地位。1859年，德国科学家基尔霍夫和本生制成了世界上第一台光谱仪，并利用光谱分析法对当时还未知的化学元素铯和铷进行了分析。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。

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，微型光谱仪逐渐进入了人们的视野。凭借其体积小、重量轻、操作便捷、结构简单、价格低廉等特点，微型光谱仪在大范围推广方面具有很强的潜力。长期以来，研究人员一直致力于研发低成本、小体积、稳定并且高性能的光谱仪。

但是，上述问题之间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。因此，光谱仪的微型化是目前领域内备受瞩目的技术挑战。已有的一些方案，如滤波器阵列及依赖于微纳制造的片上光谱仪等，仍存在包括固有功率损耗、信道数量较少、耦合效率低等限制。如何实现高稳定、高性能、低成本的微型光谱仪，仍然是领域内亟待解决的问题之一。

针对上述问题，浙江大学马耀光研究员带领的纳米光学团队提出了一种基于微纳光纤泄漏模的微型光谱仪（如图1所示）。该光谱仪以极低的制造难度与成本（核心部件价格不超过15美元），在亚毫米级的空间尺度下实现了皮米级的波长分辨能力。

图1：光谱仪结构。（a）微型光谱仪图片（b,c）微纳光纤锥区泄漏模图案映射在衬底上的侧视图和俯视图

该光谱仪设计以优异的性能与可扩展性为微型光谱仪在环境检测、生物传感、可穿戴设备等方向的应用带来了新的可能。

该成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在eLight。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，共同第一作者为岑青青和片思杰，通讯作者为马耀光研究员。刘鑫航、唐雨薇、何欣莹为论文工作做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金优青项目和浙江省自然科学基金的资助。

团队成员自制了自动化的拉锥系统（如图2所示），通过CO?激光聚焦使得光纤产生局部软化的同时，利用电机拉伸光纤两端获得微纳光纤锥。通过自动化控制程序，系统可以精确地调节拉锥温度、拉锥长度和拉锥速度等参数以拉制不同结构特点的微纳光纤，并满足高精度、高重复性、快速拉制的实验需求。

图2：自制拉锥机。（a）拉锥机加热部分（b）拉锥机总体结构

通过优化微纳光纤的锥区结构参数，使得微纳光纤锥在1mm以内的区域产生复杂的泄漏模式（如图1所示）。再利用精密位移台优化泄露模式投影到CIS的图案来微调维纳光纤与CIS的接触距离、角度等参数。最后对微纳光纤进行固定、封装，完成光谱仪器件的原型机制备。

微纳光纤的泄漏模式形成的干涉图案与光谱有复杂的映射关系，通过CIS单次捕获的图像，恢复输入光的光谱信息。采用Transformer架构的轻量级模型分析测量记录的干涉模式数据，可以容易地构建光谱信息和泄漏模式图像之间的相关性。最终制备获得的微型光谱仪在较小的尺寸下展现出了较高的性能。如图3所示，光谱仪可以恢复半高全宽最大为90nm的连续光谱。同时，在双峰信号的恢复实验中，光谱仪可以实现对波长相差1.53pm的两个激光峰进行分辨。

图3：光谱仪性能表征。（a）连续光谱的恢复（b）窄双峰的恢复

因为微纳光纤具有尺寸小的特点，所以可以在一个传感器上集成多个微纳光纤锥，实现高光谱成像功能。通过集成在CIS上的20个光纤锥（图4a），对图像还原并成功识别了人眼不能辨别出差异的各种同色异谱，体现了该设计在高光谱成像方面的巨大潜力。

图4：光谱仪高光谱表征。（a）20通道高光谱成像仪（b）投影图像还原（c）投影图像各个区域的还原光谱

（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-023-00041-7