一個國際研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種比人的頭發(fā)直徑小的中紅外光譜儀。

隨著從檢測溫室氣體到讓自動駕駛汽車更安全的潛在應(yīng)用，近年來開發(fā)緊湊的芯片光譜儀引起了人們極大的興趣。傳統(tǒng)的光譜儀用于測量光的光譜信息，體積龐大，價格昂貴。芯片上的光譜儀將大大擴(kuò)展該技術(shù)的應(yīng)用和可及性。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一個由美國、以色列和日本的研究人員組成的團(tuán)隊開發(fā)了一種超小型中紅外光譜儀。這項工作是耶魯大學(xué)巴頓·韋勒工程與科學(xué)副教授夏鳳年實(shí)驗(yàn)室合作的結(jié)果：以色列巴伊蘭大學(xué)的多倫·納韋教授、日本國立材料科學(xué)研究所的渡邊健治和田口高治。這一發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然光子學(xué)》雜志上。

該裝置采用了黑磷(BP)，這種材料長期以來一直是Xia實(shí)驗(yàn)室關(guān)注的焦點(diǎn)，用于基于單個可調(diào)諧光電探測器的光譜儀，其波長范圍為2~9微米。這種大約10納米厚的材料允許用戶調(diào)節(jié)光物質(zhì)的相互作用來捕獲不同的光譜成分——這是該設(shè)備成功的關(guān)鍵。此外，一種先進(jìn)的算法在該光譜儀中發(fā)揮了同樣重要的作用，將光譜固有的復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移到軟件。

光譜儀的尺寸為9x16平方微米，比人的頭發(fā)橫截面小得多——光譜儀的尺寸可與它測量的光波長相媲美。即使有可能使設(shè)備變小，也不會有太大的改善，因?yàn)橛捎谘苌�，在通常條件下，光線不能聚焦在比其波長小得多的點(diǎn)上。

巴伊蘭大學(xué)的多倫·納韋教授說："實(shí)現(xiàn)這種具有終極緊湊度的高性能光譜儀是非常令人興奮的。"我們預(yù)計，正如本工作所示，同時利用硬件和軟件進(jìn)步的原則將導(dǎo)致在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量控制方面的商業(yè)應(yīng)用。

使用傳統(tǒng)的光譜儀，光被組成光譜的顏色分割開來。

夏實(shí)驗(yàn)室的博士生、這項研究的主要作者袁少凡說：“這種光譜儀顯示出了比傳統(tǒng)分光光譜儀的優(yōu)勢，因?yàn)楣獠恍枰�在空間上被分解成不同的部分�！�

與傳統(tǒng)的光譜儀不同，該系統(tǒng)不需要像干涉儀或可調(diào)紅外激光器這樣的先進(jìn)光學(xué)元件。這為極端小型化的光譜儀打開了可能性，并可以實(shí)現(xiàn)芯片上的、負(fù)擔(dān)得起的中紅外光譜和光譜成像。研究人員指出，汽車、無人機(jī)和衛(wèi)星通常都配備了紅外攝像機(jī)，通過拍攝灰度熱圖像來探測行人、車輛和其他危險。夏實(shí)驗(yàn)室的光譜儀對這種潛在的威脅具有更高的探測能力，因?yàn)楣庾V信息可以連續(xù)測量，盡管具有中等分辨率。此外，它在遙感方面也很有用。

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2021-06-ultracompact-on-chip-infrared-spectrometer.html