近年來(lái)，研究人員和業(yè)內(nèi)主要廠商已將研發(fā)重心轉(zhuǎn)向微型化、便攜式且低成本的光譜儀系統(tǒng)，使之可以在日常生活中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)和原位光譜分析的許多新興應(yīng)用。然而，受到過(guò)度簡(jiǎn)化的光學(xué)設(shè)計(jì)和緊湊型架構(gòu)的機(jī)械限制，微型光譜儀系統(tǒng)的實(shí)際光譜識(shí)別性能通常遠(yuǎn)低于臺(tái)式光譜儀系統(tǒng)。如今，克服這些限制的一種策略便是在光子方法學(xué)中引入深度學(xué)習(xí)（DL）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校（University at Buffalo，the State University of New York）與沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science & Technology）的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”為主題的論文。該論文第一作者為Dylan Tua，通訊作者為甘巧強(qiáng)（Qiaoqiang Gan）教授。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種緊湊型等離子體“彩虹（rainbow）”芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的雙功能傳感，其性能可在特定條件下超越傳統(tǒng)的便攜式光譜儀。其中的分光納米結(jié)構(gòu)由一維或二維的梯度金屬光柵構(gòu)成。該緊湊型等離子體光譜儀利用普通相機(jī)拍攝的單幅圖像，即可精確地獲得照明光源光譜的光譜信息和偏振信息。在經(jīng)過(guò)適當(dāng)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)算法的輔助下，研究人員僅用單幅圖像就能表征葡萄糖溶液在可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)的雙峰和三峰窄帶照明下的旋光色散（ORD）特性。該微型光譜儀具有與智能手機(jī)和芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）系統(tǒng)集成的潛力，為原位分析應(yīng)用提供新的可能。

研究人員利用彩虹捕獲效應(yīng)（rainbow trapping effect）來(lái)開(kāi)發(fā)片上光譜儀系統(tǒng)。圖1展示了該研究工作所提出的片上光譜儀和一維彩虹芯片的設(shè)計(jì)原理。如圖1a所示，該光譜儀利用等離子體啁啾光柵實(shí)現(xiàn)分光功能。這種表面光柵幾何形狀的逐漸變化，導(dǎo)致了局部等離子體共振的空間調(diào)諧（即為光捕獲“彩虹”存儲(chǔ)）。如圖1b所示，研究人員采用聚焦離子束銑削技術(shù)，在300 nm的銀（Ag）薄膜上制備了啁啾光柵。當(dāng)白光垂直入射時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的反射顯微鏡系統(tǒng)（如圖1c），就可以觀察到明顯的“彩虹”色圖像，如圖1d的頂部所示，該現(xiàn)象源于光柵引發(fā)的等離子體共振。

圖1 片上光譜儀的等離子體啁啾光柵

根據(jù)這些空間模式圖像，可以建立共振模式與入射波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這是片上光譜儀的基礎(chǔ)。因此，研究人員探討了該光譜儀對(duì)任意光譜特征的空間分辨能力。通過(guò)深度學(xué)習(xí)輔助的數(shù)據(jù)處理和重建方法，研究人員利用這種分光功能可以構(gòu)建用于光學(xué)集成的智能化、微型化光譜儀平臺(tái)。

具體而言，研究人員提出了基于深度學(xué)習(xí)的智能彩虹等離子體光譜儀概念，并構(gòu)建了帶有等離子體啁啾光柵的光譜儀示例，如圖2所示。該光譜儀利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了所測(cè)量的共振模式圖像中的未知入射光光譜，而無(wú)需使用傳統(tǒng)的線性響應(yīng)函數(shù)模型。實(shí)驗(yàn)中的光譜儀架構(gòu)如圖2a所示。智能光譜儀主要由三部分構(gòu)成：空間模式、預(yù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)重建

光譜分辨率是評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光譜儀性能的重要參數(shù)之一。因此，研究人員對(duì)該光譜儀的分辨率做了詳細(xì)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 智能等離子體光譜儀的分辨率

以上初步測(cè)試數(shù)據(jù)表明，智能彩虹芯片光譜儀具有實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜分析的潛力，其性能可與傳統(tǒng)臺(tái)式光譜儀相媲美。隨后，研究人員將一維光柵擴(kuò)展到二維，以利用緊湊型智能等離子體光譜儀實(shí)現(xiàn)偏振光譜的測(cè)定，其性能超越了傳統(tǒng)的光學(xué)光譜儀系統(tǒng)。同時(shí)，研究人員展示了等離子體彩虹芯片光譜儀可以引入簡(jiǎn)化、緊湊且智能的光譜偏振系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確且快速的光譜分析能力。圖4a為具有梯度幾何參數(shù)的二維光柵。

圖4 用于測(cè)定偏振光譜的二維啁啾光柵

接著，研究人員利用該二維偏振光譜儀芯片對(duì)旋光色散進(jìn)行了簡(jiǎn)單而智能的表征。圖5a為傳統(tǒng)的旋光色散系統(tǒng)測(cè)量由物質(zhì)引起的旋光度隨入射波長(zhǎng)的函數(shù)變化。最后，研究人員展示了將二維光柵作為光譜偏振系統(tǒng)，并介紹了用于葡萄糖傳感應(yīng)用的示例。

圖5 更簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確且智能的光譜偏振分析

綜上所述，本研究中提出了一種集成了片上彩虹捕獲效應(yīng)與緊湊型光學(xué)成像系統(tǒng)的智能芯片級(jí)光譜儀。研究結(jié)果表明，該等離子體芯片可以在可見(jiàn)光光譜（470 nm - 740 nm）范圍內(nèi)區(qū)分不同的照明峰值。該芯片充分利用其波長(zhǎng)敏感結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)照明光譜峰值顯示不同的等離子體共振模式。隨后將芯片擴(kuò)展到二維結(jié)構(gòu)，共振模式的復(fù)雜性增加，從而在入射光偏振方面提供更多信息。通過(guò)使用片上共振模式的空間和強(qiáng)度分布圖像來(lái)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法，研究人員在同一系統(tǒng)內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)了光譜分析和偏振分析。

隨后，研究人員利用一種將旋光引入透射光的手性物質(zhì)（即葡萄糖），證明了所提出光譜儀在旋光色散傳感方面的可行性，旋光色散是一種有助于手性物質(zhì)檢測(cè)和定量的偏振特異性特征。深度學(xué)習(xí)模型的分析表明，該算法能夠基于等離子體芯片的共振模式準(zhǔn)確預(yù)測(cè)葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式時(shí)，這種性能也得到了保留。這種由深度學(xué)習(xí)支持的基于圖像的光譜儀能夠通過(guò)利用納米光子平臺(tái)的單幅圖像同時(shí)進(jìn)行光譜分析和偏振分析。因此，該光譜儀標(biāo)志著在單一緊湊型且輕量化設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了高性能的光譜偏振分析，為深度光學(xué)和光子學(xué)在醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)、食品安全傳感、環(huán)境污染檢測(cè)、藥物濫用傳感以及法醫(yī)分析等領(lǐng)域的應(yīng)用賦能。

審核編輯：劉清