科学家实现用于同时进行光谱测定和成像的电可调谐平面液晶单谱线—小柯机器人—科学网
发布日期：2024-09-17 点击次数：
用于分解和测量电磁波的谱信息，广泛应用于材料分析、天文观测以及生物医学成像等领域◆★。
传统台式光谱仪基于棱镜或光栅等空间色散元件，导致其结构尺寸较大■★，并对机械振动敏感，通常只能用于实验室环境。
1. 作者提出了一种完全区别于传统方案的片上光谱仪★◆■■◆。不同于可调谐滤波器方案■★★◆，这一设计不受自由光谱范围限制◆★★■★◆，因此得以保持高分辨率的同时，极大地扩展工作带宽。不同于计算“光斑”光谱仪，这一设计不依赖于复杂拓扑结构◆★，具有结构简单、尺寸紧凑等优势■★★★◆■。
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这一工作为新型片上光谱仪的研发提供了一种全新思路，同时对计算光谱学等研究方向具有启发意义，并可能用于单片集成的光谱传感系统★★★■◆。
2. 设计思路具有可扩展性。在满足特定条件情况下，可以进一步增加待分辨的自由光谱范围数目，进一步扩展工作带宽与通道容量，同时保证较低的功耗。
然而◆■★■■★，目前已报道的片上光谱仪大多存在分辨率-带宽限制这一共性缺陷◆◆。具体来说，对于片上光谱仪★★◆◆，实现较高的分辨率需要较长的波导光程，而这往往会降低输出响应的自由光谱范围，进而影响工作带宽◆◆■■★。虽然可以通过采用光子晶体微腔等特殊结构，在一定程度上扩展自由光谱范围，但是这类结构加工较为困难，并且调谐效率较低■★■★◆。目前尚无突破这一限制的通用解决方案。
3. 该工作涉及的概念源于高品质微腔中一种极为常见的现象——模式劈裂◆■。同时◆★，结构完全基于集成光子回路中极为常见的单元器件——微环谐振腔◆★★◆■◆。这使得这一方案具有加工简便、通用性强等优势。
鉴于此■★，近日，香港中文大学电子工程学系曾汉奇研究小组，通过采用一种新颖的 “光学分子”结构★■★，结合计算重建方法，实现了一种同时具有高分辨率与大带宽的新型片上光谱仪。
新型片上光谱仪有望克服这些缺陷。这类光谱仪基于集成光子回路，其中各类光学器件均由固态平面波导构成，因此可以实现芯片尺度的密集集成，并可以消除环境扰动的影响■◆■◆★。片上光谱仪在智慧医疗、地质勘探以及片上实验室（Lab-on-a-chip）等领域具有应用价值★■■，特别对于实现小型化、便携式★◆◆■，甚至可穿戴的智能传感设备具有重要使能意义■★◆◆★。
在该工作中，作者实验证实了40pm的谱线nm的工作带宽◆■★★。同时利用单片集成滤波器生成测试光谱，实验验证了各类特征光谱的高精度重建。
在热光调谐过程中■★★◆◆，输入光谱被滤波采样，进而在输出端口生成包含谱信息的信号，最终通过计算重建方法将输入光谱还原（图1b）■★★■★。
此过程中，需要解决的核心问题是■◆■◆◆，如何分辨相隔自由光谱范围整数倍的波长通道■■★◆■。对于单谐振腔而言，各个自由光谱范围之内仅包含一个谐振模式，因此无法实现宽带谱重建◆★★■◆。当一对谐振腔发生强耦合，各个谐振模式将劈裂为一个对称模式与一个反对称模式（图1c）。这一现象类似于双原子分子中存在的能级劈裂。
值得注意的是，谐振模式的劈裂强度正比于谐振腔之间的耦合强度。因此，可以通过增强耦合强度的色散◆★■，使得“光学分子★◆★”谱线的劈裂强度随波长变化，并基于这一特征，识别位于不同自由光谱范围的波长通道■◆■。具体来说，当热光调谐经过一个自由光谱范围◆★★★★，各个波长通道对应的输出信号均包含一对尖峰；此时，即便对于相隔自由光谱范围整数倍的波长通道，其尖峰之间的间距仍然不同◆■◆■■，因此不同波长通道得以去相关（图1d）。
