指尖上的超构透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪

据麦姆斯咨询报道，近日，澳门大学应用物理及材料工程研究院刘宏超等研究人员在Light: Science & Applications期刊发表了以“Metalens and microtaper spectrometers on a fingertip”为主题的评述文章。

随着片上集成光子学技术的发展，研究人员正在寻求制造易于集成到各种设备和系统中的紧凑型便携式光谱仪的方法。这些微型光谱仪有望对光与物质相互作用进行高精度的测量，从而能够识别不同材料的化学成分、检测环境中的污染物，并实时诊断医疗状况。这促进了光谱仪各类新兴应用的发展，从医疗保健与生物技术领域（例如可穿戴医疗器械）到环境监测与农业领域（例如手持式环境探测器）。尽管光谱仪的微型化仍然面临着诸多挑战，但近年来纳米制造技术和材料科学的进步使得制造出功能强大、经济、紧凑型的光谱仪成为可能，这些光谱仪能够提供高质量的光谱探测能力。随着对微型光谱仪需求的不断增长，研究人员正在不断拓宽其性能极限，以期为光学和光子学领域带来令人激动的创新。

超构表面（Metasurfaces）和微纤维凭借其超紧凑的特性，在各类光学应用中展现出巨大潜力。作为一种典型的超构表面，超构透镜（metalens）能够自由操纵光的色散，并精确控制光的路径，使其成为成像和光通信领域的理想选择。同时，微纤维能够以最小的失真传输和反射光，使其成为光谱测量的有效工具。近期发表在Light: Science & Applications和eLight期刊上的两篇论文中，来自英国赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）和我国浙江大学的两支研究团队分别提出了利用多焦点超构透镜以及漏模微纳光纤锥来获取高分辨率的光谱信息。

在“Compact multi-foci metens spectrometer”论文中，英国赫瑞瓦特大学陈献忠教授团队提出了一种可以聚焦多波长光的多焦点超构透镜，如图1左侧所示。多焦点超构透镜通常具有小平面结构，可以将不同颜色的光同时聚焦到多个焦点上，从而实现单镜头光谱探测和成像。虽然已有研究人员提出了子区域设计和折叠超构透镜来实现多波长色散控制，但每个波长设计的像素有限，往往导致光束聚焦质量差或不同焦距下的多个焦点。该研究创造性地展示了在同一焦平面上具有多个离轴焦点的紧凑型超构透镜，其光斑大小和最大强度几乎相同，从而完美有效地解决了这一问题。基于超构透镜器件的本征色散和多焦特性，波长信息被转换为在同一平面上的不同焦点的强度分布。实验结果表明，在单色和多色光束的照射下，该紧凑型超构透镜光谱仪能够在180个预先设计的焦点处对不同波长的光进行分离和聚焦。而在工作距离为300 μm的可见光波段，它可实现纳米级宽带光谱分辨率。凭借易于制造的特点，这种基于超构透镜的光谱仪技术在片上集成光子学和紧凑型光谱应用（例如化学传感和环境监测）等方面显示出巨大的潜力。

图1 指尖上的超构透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪示意图

在另一篇论文“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”中，研究人员提出将具有增强漏模的微纳光纤锥用于光谱传感，如图1右侧所示。微纤维是操纵光场的理想小尺寸工具。微纳光纤锥是一种基于微纤维的器件，在非绝热条件下，它可以在短距离内迫使导模变为漏模。已有研究提出光纤中的多模干涉会产生与光谱信息相关的随机散斑，例如，利用级联无芯光纤和光子晶体光纤制成了一种紧凑型全光纤散斑光谱仪。然而，如粗糙表面和多模光纤等传统方法，通常需要笨重且昂贵的探测器来测量散斑，这严重限制了其应用。此外，在以前的研究中，漏模通常被认为是不可取的。浙江大学马耀光研究员的研究团队创造性地提出使用微纳光纤锥的漏模作为获取光谱信息的手段。众所周知，通过调整光纤的几何形状可以产生漏模。研究人员构建了一种可扩展的光谱仪系统，该系统结合了弯曲的微纤维锥形尖端、CMOS图像传感器以及轻量级视觉转换器（ViT）网络来实现高光谱成像。在该系统中，由于光纤几何形状产生的不同模式之间的耦合，微纤维锥形尖端会产生复杂的漏模散斑。然后，凭借光纤锥形结构易于制造和集成的特性，数据采集由CMOS图像传感器完成。ViT网络作为系统的大脑，最终可以识别光谱信息与漏模图像之间的相关性。当光穿透微纳光纤锥时，它会激发对入射光谱高度敏感的漏模。通过测量漏模的散斑，研究人员可以提取输入光场的光谱信息。这种微纳光纤锥光谱仪可以在450 nm至1000 nm的宽波长范围内工作，分辨率高达1 pm。此外，该光谱仪核心元件的成本低于15美元，使其成为光谱传感应用的低成本解决方案。这种灵活稳定的光谱仪系统有望在食品检验、药品鉴定、个性化健康诊断等各个领域得到广泛应用。

上述两项研究都展示了对超紧凑元件的利用，分别是300 μm × 300 μm的超构透镜以及1 mm²的微纳光纤锥，二者都构建出了高分辨率的光谱仪。这两项研究展现了超构透镜和微纳光纤锥在光谱传感和分析领域的广泛用途和创新潜力。虽然这两项工作都有助于促进光谱仪微型化发展，但它们在光谱分析方法上有所不同。在第一项研究中，超构透镜是一种直接光谱仪，它将多波长的光分离并聚焦到同一平面上预先设计的焦点上，从而可以直接读取不同波长的光场分布。而在第二项研究中，微纳光纤锥是作为漏模的发生器，根据不同的光谱信息产生不同的散斑。然后，需要利用一个计算过程来获得最终的光谱。这两种光谱仪皆具有良好的灵活性、稳定性和高分辨率，这使其成为指尖上的光谱仪的潜在选择，尤其适用于线谱的测量。然而，连续光谱的重要性不容忽视，进一步的研究有望探索其在不同类型的光谱检索中的潜力。综上所述，这两项研究拓展了光谱仪微型化的范围，提供了提高分辨率和工作带宽的新方法，并引导了新兴光谱仪的发展方向。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01217-z