據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）Zhipei Sun等研究人員在Light: Science & Applications期刊發(fā)表了以“Reconstructive spectrometers taper down in price”為主題的評述文章。

長期以來，光譜學(xué)一直是工業(yè)和科學(xué)研究中不可或缺的工具。對于許多新興應(yīng)用，例如快速增長的可穿戴電子產(chǎn)品市場，便攜性是至關(guān)重要的特性。有必要將更經(jīng)濟、尺寸更小的光譜儀集成到緊湊型設(shè)備中，例如監(jiān)測人體生物信號的智能手表，以及可以檢測假藥的便攜式分析儀。也許未來，人們甚至可以通過智能手機或智能眼鏡來檢測看不見的食物變質(zhì)。盡管研究者已經(jīng)在開發(fā)不同種類的光譜儀方面做出了巨大努力，但是在追求低成本、穩(wěn)定、緊湊、快速、節(jié)能以及高分辨率的光譜學(xué)的競爭中，計算重建型光譜儀有望占據(jù)領(lǐng)先地位。

傳統(tǒng)的光譜儀依靠色散元件（通常是光柵或棱鏡）將入射光分離成其組成“顏色（頻率）”；然后利用一維探測器陣列讀取光譜。一般來說，光譜分辨率與線性維度成比例，因此這些光譜儀往往體積龐大。相比之下，計算重建型光譜儀的設(shè)計使得每個入射波長產(chǎn)生復(fù)雜但獨特的模式作為輸出信號。在設(shè)備對已知光譜的響應(yīng)進行表征的訓(xùn)練之后，可以使用計算算法從設(shè)備對照明的響應(yīng)中提取未知光譜的頻率內(nèi)容。

計算重建型光譜儀比臺式光譜儀設(shè)計更為緊湊，但是不會犧牲過多性能。在輸出電信號的器件上出現(xiàn)約幾十微米量級的最小尺寸。這樣的器件表現(xiàn)為可調(diào)諧能量濾波器，通常典型地作為施加電信號的函數(shù)。然而，到目前為止，這些超小型光譜儀在再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和運行速度等方面面臨著諸多問題。另一方面，最高的光譜分辨率由利用多模干涉來創(chuàng)建波長相關(guān)空間模式的器件獲得。例如，研究人員先前已經(jīng)從多模光纖錐中漏出的光提取了光譜信息。雖然長度僅有幾百微米的干涉區(qū)域足以獲得皮米光譜分辨率，但需要外部光學(xué)元件來成像并獲取空間模式，這阻礙了這些光譜儀的便攜性的發(fā)展。

在最新一期eLight期刊上，浙江大學(xué)馬耀光及其同事報道了一種基于多模干涉的緊湊型獨立計算重建型光譜儀，該光譜儀將錐形光纖放置在CMOS圖像傳感器上。整個功能單元的尺寸約為1平方毫米。該光譜儀工作原理如圖1所示。輸入光首先從單模光纖耦合到多模光纖，激發(fā)多個橫向光學(xué)模式。然后，光纖逐漸變細，使多個模式以復(fù)雜的空間模式漏出。由于不同的波長有不同的模式指數(shù)，所以每個波長的空間模式是唯一的。泄漏的光由CMOS圖像傳感器直接捕獲，并由輕型視覺變換網(wǎng)絡(luò)進行分析。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以低至~ 1pm的分辨率重建輸入光譜。一個傳感器的單次發(fā)射（幾十毫秒和微瓦）就足以收集到足夠的信息來推導(dǎo)出光譜。值得注意的是，該研究還表明，許多光纖錐可以放置在同一個傳感器上，從而能夠同時獲取多個光譜進行光譜成像。

圖1 多模干涉獨立計算重建型光譜儀的工作原理

該方法的一個主要優(yōu)點是攜帶光譜信息的光學(xué)模式由成熟的商用CMOS圖像傳感器讀出，這是一種成熟的技術(shù)。因此，這種光譜儀可以與便攜式設(shè)備集成；無需開發(fā)額外的讀出電子設(shè)備。除便攜特性之外，這種光譜儀的制造成本也很低。該團隊提供了一種經(jīng)濟型（不到15美元）且易于制造的光譜儀設(shè)計方法（光纖錐甚至可以徒手或利用酒精燈制成）。

這項技術(shù)有望在重視便攜性的光譜儀應(yīng)用中大放異彩。