近日,国际研究团队开发出一款中红外光谱仪,器件直径比人类头发丝还小。中红外光谱仪广泛应用于温室气体检测,且可以使自动驾驶汽车更安全。因此,研究者近年来对开发紧凑型片上光谱仪非常感兴趣。传统光谱仪体积较大且价格昂贵,而片上光谱仪可极大地扩大该技术的应用范围和易用性。

 

为实现该目标,来自美国、以色列和日本的研究人员共同开发出一款超紧凑型片上中红外光谱仪。此项研究由耶鲁大学工程与科学学院Barton L. Weller副教授和Fengnian Xia、以色列巴伊兰大学(Bar-Ilan University)Doron Naveh教授以及日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science)Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi进行合作。

 

光谱仪是跨学科科学研究和许多行业技术发展的基石仪器,从温室气体检测到自动驾驶等领域均有潜在的应用价值,但传统光谱仪(如光栅光谱仪和傅里叶变换光谱仪)大部分是由可移动的机械部件组成,体积庞大,成本较高,而解决这一问题最好的办法便是:片上光谱仪。

 

BP在带隙为0.3eV的条件下具有较高的载流子迁移和较高的光学吸收特性,这使得它成为中红外光电导体的潜在候选材料之一。Fengnian Xia等人正是利用BP材料和先进算法的结合实现了紧凑型片上光谱仪的制备,该光谱仪借助BP的材料特性可以通过调整光与物质的相互作用,实现对不同光谱成分的捕获,从而在2~9 μm范围内实现可调光电探测的功能。此外,该光谱仪的尺寸仅为9×16 μm2,其大小与测量的目标光波长相当,虽然可以通过优化将设备做的更小,但由于衍射的限制,设备的缩小并不会进一步提高其空间分辨率。

 

与传统光谱仪不同的是,该设备不依赖于诸如干涉仪或可调谐红外激光器之类的先进光学组件,为光谱仪的极端小型化开辟了可能性。研究人员还表示,目前大部分的汽车、无人机和卫星设备通常都配有红外摄像头以拍摄灰度热图像来检测行人、车辆和其他危险信息,此次设计的光谱仪由于连续测量的性能可以对此类潜在危险信息具有更高的检测能力,甚至可以将其应用于遥感系统当中。

 

这款光谱仪采用了Fengnian Xia实验室长期研究的一种材料—黑磷(BP),从而使该基于单个可调谐光电探测器在2至9微米波长范围内运行。黑磷厚度约为10纳米,允许用户调整光与物质的相互作用,从而捕获不同的光谱成分,这也是该器件成功的关键。此外,先进的算法对于该光谱仪也非常重要,可将光谱学中部分固有复杂性由硬件转移到软件。

 

这款光谱仪尺寸为9×16平方微米,远小于人类发丝横截面,且其尺寸与所测量的光波长相当。即使光谱仪尺寸变得更小,由于衍射现象,其性能也不会有太大改进,因为通常情况下,光线无法集中于比其波长小太多的焦点。

 

巴伊兰大学的Doron Naveh教授表示:“非常高兴可以开发出这款紧凑且高性能的光谱仪。我们希望可将此项工作中硬件和软件的发展原则,从而推动其在医学、农业和食品质量控制领域的商业应用。”

 

传统光谱仪会将光按构成光谱的颜色分离。Fengnian Xia实验室博士生以及该研究的主要作者Shaofan Yuan表示:“新款光谱仪比传统的光分离光谱仪更具优势,因此光无需在空间上分离为不同部分。”

 

与传统光谱仪不同,该光谱仪不依赖诸如干涉仪或可调谐红外激光器等先进光学组件,因此有可能会使光谱仪的尺寸达到最小,并可实现片上、经济型的中红外光谱和可见光光谱成像。研究人员指出,汽车、无人机和卫星通常会配备红外摄像头,可以拍摄灰度热像图来检测行人、车辆和其他危险。Fengnian Xia实验室的新款光谱仪在此类潜在威胁检测方面能力较高,因此尽管分辨率不够高,也可连续测量光谱信息。此外,新款光谱仪还可用于遥感。