导读

近日，浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室马耀光研究员团队在微型高性能光谱仪研究中取得了新进展。该团队提出了一种具有皮米量级分辨率的微纳光纤锥光谱仪，利用微纳光纤锥结构的高阶泄漏模式对输入光谱编码，并训练了基于Transformer架构的MobileViT模型，快速、准确的对输入光谱进行还原。经测试，光谱仪可以工作在450~1100 nm的波段范围内，对输入光的分辨率可达1 pm 数量级。该光谱仪以相对较低的制造难度与成本，在毫米级的空间尺度下实现了皮米级的波长分辨能力。相关研究成果于2023年5月8日，以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在《eLight》上。

图1 微纳光纤泄漏模干涉光谱仪的示意图

研究背景

自牛顿利用棱镜观察到色散现象以来，针对光谱技术的研究就在人类发展历程中占据了重要地位。随着光谱分辨率的提高与光谱理论的完善，光谱技术逐步从科学实验领域扩展到了分析应用上，在生物传感、环境监测、天文、医疗等领域都发挥着重要的作用。但是传统光谱仪体积庞大、价格昂贵，因而在实际应用中较难推广。对光谱的测量往往需要使用非常专业的设备或者在专业的检测机构才能进行。

近年来，随着微纳技术的发展，微型光谱仪凭借其体积小、重量轻、操作便捷、结构简单、价格低廉等特点，逐渐被人们所重视。但是，针对光谱仪的低成本、小体积、高性能等要求存在内在的制约关系：减小分光和探测元器件的尺寸将导致光谱仪的分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降，同时有可能增加器件的制造难度与成本。如何利用计算光谱技术进行光谱编码与解码是打破这一内在限制的重要前提。

研究亮点

微纳光纤（MNFs）是研究纳米尺度光与物质相互作用的优秀平台之一。利用其简洁的几何形貌、强光场约束等优点，研究人员利用自制的光纤拉锥机精确控制光纤锥尺寸，对其内部的传导模式产生有效调控，如图2(a)所示。

a）基于微光纤锥的光谱编码结构

非绝热近似下的陡变光纤锥可将输入的少量低阶模式快速转变为大量高阶模式。产生的高阶模式的数量和权重均为输入光场频率的函数。因而，随着高阶模式被光纤锥的渐变直径逐步截止，光谱信息就会被编码进泄漏光场形成的散斑图案之中。多模光纤拉制的光纤锥内支持的传导模式较多，再加上锥区模式耦合带来的自由度，散斑结构非常复杂，波长的微小改变也会使得散斑有非常明显的变化，从而可以在较小的尺寸内实现高分辨的光谱识别如图2(b),(c)所示。

图2光谱仪结构。(a)微型光谱仪图片微纳光纤锥区泄漏模图案映射在衬底上的(b)侧视图和(c)俯视图

1. 光纤纤芯直径、光纤锥度、锥区长度、拉伸长度等结构参数对光线锥泄漏散斑具有重要的影响。输入光在芯径更大的光纤中，可以激发更多的模式，因此在后续的模式演化过程中可以产生更复杂的散斑，包含更多的光谱特征。图3的仿真结果也验证了这一点。

图3 不同纤芯直径拉制得到的光纤锥的散斑仿真。纤芯直径分别为(a)8.2  μm  (b)62.5 μm  (c)105 μm  

2. 在微纳光纤束腰直径一致的情形下，锥区长度越短，锥区角度越大。如图4所示，随着锥区变短，散斑尺寸缩小。由Nyquist采样定理可知，对于一定大小的探测器单元尺寸，系统可以采集的散斑精细结构的质量会随散斑的缩小而变低，因而制约光谱仪的分辨精度。例如当锥长为750  μm  时，散斑尺寸仅为~2  μm  。

图4 不同锥区长度的光纤锥散斑仿真。锥区长度分别为(a)6000 μm (b)3000 μm (c)1500 μm (d)750 μm  

3. 通过优化拉制光纤的纤芯直径，拉制过程中的拉伸长度与锥区长度等参数，研究人员在300*600  μm  的小尺寸内，得到信息足够丰富的散斑。散斑图样由互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器（CIS）直接获取，如图2a所示。利用自制的微纳光纤拉锥平台和转移平台，研究团队可以高效率、高精度地制备所需要的微纳光纤，并且将其与CIS探测器进行一体化集成。使得最终的样品在保证高集成度的同时，具有良好的稳定性与重复性。并且，制备的光谱仪核心元件的成本不到15美元。

 b）基于深度学习的高精确度光谱复原

研究人员发现重构型光谱仪的算法选择对重构结果也有较大影响，为了可以实现快速、低功耗的光谱重构，我们采用基于Transformer架构的MobileViT模型进行了训练，用于最终的图像分类与光谱重构。最终，光谱仪准确地恢复了450-1100 nm光谱范围内的被测光谱信息，平均峰值信噪比(PSNR)为46.7 dB。图5(a)展示了重建的窄带光(彩色实线)和商用光栅光谱仪的地真光谱(黑色虚线，Ocean Optics, LEDPRO-50)数据之间很高的一致性。单色光的中心波长误差约为0.0223%。线宽误差约为7.37%。并且，光谱仪在图5(b),(c)所示的性能极限测试中也展示出很好的表现：在工作带宽的测试中，可以准确恢复半高全宽为90 nm的光谱。在对于分辨极限的测试中，可以准确还原间隔1.53 pm的双峰信号。

图5光谱仪性能表征。(a)450-1100 nm波长范围内光谱恢复(b)连续光谱的恢复(c)窄双峰的恢复

c）高精度的高光谱探测能力

因为微纳光纤尺寸小、光束缚能力强的特点，可以在一个传感器上集成多个微纳光纤锥，实现高光谱成像功能。图6(a)展示了在CIS上集成20个光纤锥的样品。结合机械扫描的采样方式，可以对例如图6(b)中的图像，进行高光谱采集。如图6(c),(d)所示，采得的光谱信息具有很好的准确度和色彩还原度。

图6 光谱仪高光谱表征。(a)20通道高光谱成像仪(b)彩色贴片图及高光谱复原结果(c)b中各个色块的光谱还原图(d)b中不同色块的CIE 1931色彩空间坐标

总结与展望

该团队利用轻量级Transformer架构的神经网络模型，对微纳光纤锥区泄漏模的干涉散斑进行优化与采集，简洁地实现了基于微纳光纤锥的光谱信息编解码架构，进而构建出一种尺寸在亚毫米量级，分辨率在皮米量级的低成本、高性能微型光纤锥光谱仪。此外利用自制的微纳光纤拉锥平台和转移平台，研究团队可以高效率、高精度地制备所需要的微纳光纤，并且将其与CIS探测器进行一体化集成。通过在CIS上集成多个微纳光纤锥，在保证高集成度和稳定性的同时，实现高光谱成像的功能。并且，制备的光谱仪核心元件的成本不到15美元。

目前，光谱仪的工作范围受限于CMOS的响应范围200-1100 nm与可用的训练输入光谱范围450~1200 nm的交集。未来，可以将相同的原理拓展到不同的材料体系之中，将工作范围进一步扩展到紫外或中长波红外频段。另外，如果在标定过程中进一步考虑偏振态的影响，研究人员将能同时获得未知光的光谱和偏振态。论文所提出的光谱仪可应用于食品检验、药物鉴定、个性化健康诊断等领域，且成本低廉。

本研究得到了国家自然科学基金优青项目和浙江省自然科学基金杰青项目的资助。研究成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在卓越计划高起点新刊eLight上。论文第一作者为浙江大学光电科学与工程学院硕士生岑青青和博士生片思杰。通讯作者为浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室、杭州国际科创中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心马耀光研究员，硕士生刘鑫航、唐雨薇、何欣莹也为论文工作做出了重要贡献。

参考文献

Cen. Q., Pian. S., Liu. X. et al. Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution. eLight 3, 9 (2023).

DOI：10.1186/s43593-023-00041-7

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00041-7

团队介绍

马耀光现任浙江大学光电学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室研究员、博士生导师，国家海外高层次引进人才青年项目入选者。主持国家自然科学基金优青、浙江省杰青、科技部重大项目子课题等多个项目。带领的纳米光学团队(NanoOptics @ ZJU) 长期致力于研究介观尺度上光与物质相互作用的机理与相关效应。目前的研究兴趣包括超表面器件、计算成像与计算光谱、精密检测与智能传感等方向。团队研究领域涉及多学科交叉，涵盖科学探索、工程应用等多个方面。在Science, eLight, Advances in Optics and Photonics, ACS Nano 等期刊上发表40余篇高影响力学术论文，多篇为ESI高被引论文，单篇最高引用超过1000次。曾获2021 年光学领域十大社会影响力成果、2021 中国光学十大进展、科技部2021年度中国科学十大进展候选进展等奖项。

课题组现有博士后等职位，热烈欢迎不同背景（光学工程，电子信息，机械，材料等）的优秀同学加入研究团队！欢迎感兴趣的同学邮件联系马老师，并标题注明 “NanoOptics @ ZJU 研究组职位申请”。详情可见主页：https://person.zju.edu.cn/myg