據麥姆斯咨詢報道，近日，澳門大學應用物理及材料工程研究院劉宏超等研究人員在Light: Science & Applications期刊發表了以“Metalens and microtaper spectrometers on a fingertip”為主題的評述文章。

隨著片上集成光子學技術的發展，研究人員正在尋求制造易于集成到各種設備和系統中的緊湊型便攜式光譜儀的方法。這些微型光譜儀有望對光與物質相互作用進行高精度的測量，從而能夠識別不同材料的化學成分、檢測環境中的污染物，并實時診斷醫療狀況。這促進了光譜儀各類新興應用的發展，從醫療保健與生物技術領域（例如可穿戴醫療器械）到環境監測與農業領域（例如手持式環境探測器）。盡管光譜儀的微型化仍然面臨著諸多挑戰，但近年來納米制造技術和材料科學的進步使得制造出功能強大、經濟、緊湊型的光譜儀成為可能，這些光譜儀能夠提供高質量的光譜探測能力。隨著對微型光譜儀需求的不斷增長，研究人員正在不斷拓寬其性能極限，以期為光學和光子學領域帶來令人激動的創新。

超構表面（Metasurfaces）和微纖維憑借其超緊湊的特性，在各類光學應用中展現出巨大潛力。作為一種典型的超構表面，超構透鏡（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域的理想選擇。同時，微纖維能夠以最小的失真傳輸和反射光，使其成為光譜測量的有效工具。近期發表在Light: Science & Applications和eLight期刊上的兩篇論文中，來自英國赫瑞瓦特大學（Heriot-Watt University）和我國浙江大學的兩支研究團隊分別提出了利用多焦點超構透鏡以及漏模微納光纖錐來獲取高分辨率的光譜信息。

在“Compact multi-foci metens spectrometer”論文中，英國赫瑞瓦特大學陳獻忠教授團隊提出了一種可以聚焦多波長光的多焦點超構透鏡，如圖1左側所示。多焦點超構透鏡通常具有小平面結構，可以將不同顏色的光同時聚焦到多個焦點上，從而實現單鏡頭光譜探測和成像。雖然已有研究人員提出了子區域設計和折疊超構透鏡來實現多波長色散控制，但每個波長設計的像素有限，往往導致光束聚焦質量差或不同焦距下的多個焦點。該研究創造性地展示了在同一焦平面上具有多個離軸焦點的緊湊型超構透鏡，其光斑大小和最大強度幾乎相同，從而完美有效地解決了這一問題。基于超構透鏡器件的本征色散和多焦特性，波長信息被轉換為在同一平面上的不同焦點的強度分布。實驗結果表明，在單色和多色光束的照射下，該緊湊型超構透鏡光譜儀能夠在180個預先設計的焦點處對不同波長的光進行分離和聚焦。而在工作距離為300 μm的可見光波段，它可實現納米級寬帶光譜分辨率。憑借易于制造的特點，這種基于超構透鏡的光譜儀技術在片上集成光子學和緊湊型光譜應用（例如化學傳感和環境監測）等方面顯示出巨大的潛力。

圖1 指尖上的超構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漏模的微納光纖錐用于光譜傳感，如圖1右側所示。微纖維是操縱光場的理想小尺寸工具。微納光纖錐是一種基于微纖維的器件，在非絕熱條件下，它可以在短距離內迫使導模變為漏模。已有研究提出光纖中的多模干涉會產生與光譜信息相關的隨機散斑，例如，利用級聯無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方法，通常需要笨重且昂貴的探測器來測量散斑，這嚴重限制了其應用。此外，在以前的研究中，漏模通常被認為是不可取的。浙江大學馬耀光研究員的研究團隊創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，通過調整光纖的幾何形狀可以產生漏模。研究人員構建了一種可擴展的光譜儀系統，該系統結合了彎曲的微纖維錐形尖端、CMOS圖像傳感器以及輕量級視覺轉換器（ViT）網絡來實現高光譜成像。在該系統中，由于光纖幾何形狀產生的不同模式之間的耦合，微纖維錐形尖端會產生復雜的漏模散斑。然后，憑借光纖錐形結構易于制造和集成的特性，數據采集由CMOS圖像傳感器完成。ViT網絡作為系統的大腦，最終可以識別光譜信息與漏模圖像之間的相關性。當光穿透微納光纖錐時，它會激發對入射光譜高度敏感的漏模。通過測量漏模的散斑，研究人員可以提取輸入光場的光譜信息。這種微納光纖錐光譜儀可以在450 nm至1000 nm的寬波長范圍內工作，分辨率高達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用的低成本解決方案。這種靈活穩定的光譜儀系統有望在食品檢驗、藥品鑒定、個性化健康診斷等各個領域得到廣泛應用。

上述兩項研究都展示了對超緊湊元件的利用，分別是300 μm × 300 μm的超構透鏡以及1 mm2的微納光纖錐，二者都構建出了高分辨率的光譜儀。這兩項研究展現了超構透鏡和微納光纖錐在光譜傳感和分析領域的廣泛用途和創新潛力。雖然這兩項工作都有助于促進光譜儀微型化發展，但它們在光譜分析方法上有所不同。在第一項研究中，超構透鏡是一種直接光譜儀，它將多波長的光分離并聚焦到同一平面上預先設計的焦點上，從而可以直接讀取不同波長的光場分布。而在第二項研究中，微納光纖錐是作為漏模的發生器，根據不同的光譜信息產生不同的散斑。然后，需要利用一個計算過程來獲得最終的光譜。這兩種光譜儀皆具有良好的靈活性、穩定性和高分辨率，這使其成為指尖上的光譜儀的潛在選擇，尤其適用于線譜的測量。然而，連續光譜的重要性不容忽視，進一步的研究有望探索其在不同類型的光譜檢索中的潛力。綜上所述，這兩項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，并引導了新興光譜儀的發展方向。

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