华中科技大学在基于计算重建的纳米梁微型光谱仪方面取得新进展

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光谱仪在现代光学应用中拥有举足轻重的作用，光谱仪的小型化和集成化发展可以满足各种新兴光谱分析应用对便携性、低成本、小尺寸、稳定性的需求，如片上实验系统、细胞组织检测分析乃至移动设备搭载光谱仪等，是近年来重要的研究和发展方向。

传统的小型化光谱仪一般通过将传统的大型台式光谱仪中的色散元件或者滤波元件使用集成光子技术小型化后得到。光谱计算重建（Computational reconstruction）是近年来新兴的一种光谱仪的实现方法，这种方法通过对入射光场和输出通道间的映射进行了预先标定，再使用重建算法进行迭代。然而，现有的这些方案也都存在着无法根据需求扩展、不够灵活的缺点，而基于精细的材料工程获得材料光谱响应渐变的方案在材料的加工和集成上都有很高的复杂度，由此带来了高成本和低产率等问题。

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授团队董建绩等人提出并实验证明了一种结合紧凑纳米梁微腔和计算重建的微型光谱仪。通过将硅基纳米梁谐振腔阵列与计算重建算法相结合，得到了兼顾小尺寸、易扩展、易移植的纳米梁光谱仪，如图1所示。使用纳米梁谐振腔的直通耦合结构，将单个纳米梁谐振腔单元构造成了极小尺寸的宽谱响应单元，并精细调节这些纳米梁谐振腔的中心谐振频率，最后将这样的纳米梁单元密集排列构成覆盖工作波段的纳米梁阵列。使用这样的纳米梁谐振腔阵列对入射光场进行探测，并对传输响应使用计算重建算法进行光谱还原，即可实现光谱仪功能。

图1 纳米梁谐振腔阵列光谱仪工作原理。(a)入射光探测；(b)计算重建还原。

纳米梁谐振腔阵列光谱仪可以实现高达30 dB消光比的光谱探测，如图2所示。对于谱宽分别为3 nm和1 nm的单峰输入、间隔分别为10 nm和5 nm的双峰输入以及三角形光谱和多峰两种宽谱输入，纳米梁光谱仪能够较为完整地还原宽谱形状。

图2 传统台式光谱仪探测与纳米梁谐振腔光谱仪计算重建结果对比。(a) 谱宽为3 nm的单峰输入；(b) 谱宽为1 nm的单峰输入；(c) 三角形光谱的宽谱输入；(d) 间距为10 nm的双峰光谱输入；(e) 间距为5 nm的双峰光谱输入；(f) 多峰宽谱输入。

此外，可以根据产品需求和反馈灵活地设计和生产满足需要的纳米梁谐振腔阵列光谱仪芯片，而不需要额外花费过多重新设计和优化的成本，如图3所示。如2400 nm波段将使用SOI平台和1.55倍的放缩参数，而1310 nm波段将使用SOI平台和0.85倍的放缩参数。在完成纳米梁谐振腔工作波段的迁移后，则可以进一步根据波长范围和分辨率确定纳米梁阵列参数。纳米梁光谱仪展现了作为一种可以快速定制的通用光谱仪芯片，实现面向各类应用的商业化产品的巨大潜力，相较于其他光谱仪方案在实用性范畴上拥有独特优势。

图3 纳米梁谐振腔光谱仪芯片定制化产品流程

相关研究成果近期发表在2022年的《ACS Photonics》期刊上，该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。