在光谱仪的研究上，浙江大学频出佳绩。前不久，该校的马耀光研究员和团队造出一款微纳光纤锥光谱仪。

这款光谱仪可以通过微纳光纤锥的结构，来对光谱信息进行编码。其工作波段范围为nm-nm，针对输入光的分辨率能够达到1.5pm级别，核心元件成本的低于15美元。

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马耀光（来源：马耀光）

对于应用前景，马耀光坦言：“实际上我们在一开始并没有过多考虑关于应用的问题，因为不同场景有着不同的要求。哪怕是同样的器件，也需要做不同的细节设计，比如改动封装结构和算法等。”

针对目前的器件，他们使用紫外固化胶把微纳光纤固定在互补金属氧化物半导体探测器上，然后再将整个器件固定在一个基板上，借此实现稳定的结构。

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如果要走向实际应用，还需要课题组在微纳光纤制备、探测器集成等方面进行更多探索，以便实现制备封装的自动化。

目前微型光谱仪已经有不少可以应用的场景，这也是当下微型光谱仪颇受欢迎的原因之一。具体应用上：

其一，可以实现物质成份的探测。比如，对于扫地机器人来说，它必须能对不同材质进行识别。而光谱信息可以配合视觉信息，来让扫地机器人对物体的大小、材质等多种参数进行综合判定。

其二，在安检场景中，微型光谱仪也具有很大的应用市场。目前市面上的各种光谱检测特别是高分辨率检测，往往依赖于体积巨大的光谱仪（m^3数量级）。

如果微型光谱仪可以得到普及，将给交通枢纽、水质检测、农产品检测等领域带来“福音”。

届时，在检测相关数据时只需要将一个指甲盖大小的模块连接到手机，模块的一端就会伸出一根光纤来对信号进行采集，将数据通过手机算法进行处理之后，就可以快速得到分析结果。

其三，人类的日常生活遍布光谱。我们每天都在使用的显示屏、照明灯具、手机摄像头等，都需要借助光谱检测设备对其进行不定期测量，以让设备性能和功能得到保障。

有了微型光谱仪，就可以根据需要来调整显示器的颜色、根据不同环境甚至根据使用者的心情微调手机色调，并能让手机摄像头对现实世界的颜色进行更细致、更准确的识别，从而助力色彩优化以及对焦速度提升等。

可以预想的是，当光谱仪得到微型化之后，制备成本的下降，会让许多原本用不起或用不了光谱仪的场景得到重新定义，所衍生的应用场景可能比想象中更丰富。

另外，此次提出的光纤锥方案，并不受限于光谱仪的工作范围。如果有合适的材料，完全可以制备适用于中红外、近红外、紫外等其他的波段的光谱仪。只要有合适的波导材料和探测器，在制作、标定和测试上都是兼容的。

让光谱仪分辨率达到1.5pm

而在科学研究和工业生产中，光谱仪也是非常重要的设备。它既可以反应物质的成份，也可以展示材料的光学特性。

从原理上讲，光谱仪可以分成四类：色散型、滤光片型、傅里叶变换型和计算重建型。

人们了解和研究最多的就是色散型。但是，色散型光谱仪往往体积比较大，因为它需要通过利用空间距离来让不同频率的光线分开。

而滤光片型光谱仪通常很难拥有较高的分辨率，因为过高的分辨率会导致整个光谱仪的透过率被严重压低，从而影响测量的效率和精度。

傅里叶变换型光谱仪则是利用干涉仪结构来反算光谱，一般来说其结构最为复杂，哪怕是片上傅里叶变换型光谱仪的改进版本，也需要大量谐振腔和波导的配合，加工难度和调试难度都比较高。

计算重建型光谱仪是近几年才兴起的研究方向，它一般是通过某种结构对光谱进行编码探测，再借助相应算法进行解调，即可获得光谱信息。马耀光课题组本次研发的光谱仪，正是属于这一类型。

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他解释称：“计算重建是指在加工微纳光纤时，可以通过工艺参数来控制光纤锥的形貌。使得信号光输入到光纤中，并在光纤中产生传输模式的时候，光纤锥的形貌会对这些模式进行调控，进而通过模式耦合产生大量的高阶模式。”

所产生的高阶模式的数量和耦合系数都是频率的函数，所以就可以把光谱信息包含进来，这也是编码过程的开始。

同时，这些高阶模式在传播时，也会逐渐随着光纤直径变细而被截止，这时就会从传播模式转换成泄漏模式，并在探测器上发生干涉，形成结构复杂的散斑。

当输入光场的光谱发生细微变化之后，就会在散斑中表现出来，这也意味着编码过程的完成。这时，就可以探测和解调泄漏的光场中包含的光谱信息。

据了解，在对光谱仪进行微型化的时候，往往会受到加工工艺、结构设计等方面的限制，从而导致工作范围、分辨率、器件成本等性能参数遭遇限制。

而马耀光课题组研发的新技术，在使用简单结构和加工方法的同时，还能保持较高的器件性能。

在研究微纳光纤时，人们一般希望光场在光纤中传播得尽可能长，所以光纤的拉制过程需要保持近似绝热的条件。并且在实验中，研究人员也多是选择结构最平坦、直径最均匀的部分。

马耀光说：“我们则是反其道而行之，即将光纤锥做得非常陡，并且越是靠近锥尖，陡度做得越大。”

这样做的好处在于，可以利用特殊的形貌来对光场进行调控，从而产生尽可能多的模式耦合和演化。

在以往的微纳光纤工作中，人们认为光场传输的损耗越小越好。而该团队的工作采用不利于传输的泄漏模式，借此对光纤进行形貌控制和非对称弯曲，让光纤中的导模尽可能地转变为泄漏模并形成散斑，并利用神经网络方法来对散斑的复杂信息进行解读。

这一方法也给课题组带来了如下启发：借助简洁的结构完成较高性能的思路是完全可行的。

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科研往往是在曲折中前进的。年初，在研究伊始他们并未采用散斑探测的方法。

在缓变光纤锥中，对于不同波长的传导模来说，它们被衬底散射所产生的泄漏光波，呈现出一定的分布特性。因此，可以利用在衬底上产生的泄漏来进行波长的分辨。

在最初开展的实验中，他们遇到了瓶颈，课题组发现这种方法的效果上限比较低，只能做到大约3nm到5nm的分辨率。

于是，他们不再观察较大的位置变化，而是改为对细节散斑进行测量。这一改进让实验效果得到了巨大提升，很快他们就把分辨率做到亚纳米。理论分析结果也显示，借助该方法甚至可以做到更高的分辨率。

而此时碰到的新问题在于：很难找到矫正光源。一方面他们需要极窄的线宽，另一方面又需要比较大的可调范围。

经过一番研究探索之后，他们顺利解决了这一问题，器件性能也得到了提高。年元旦过后，分辨率指标已能做到pm以下。马耀光说：“当时我们就想进一步做高光谱成像的应用，并对器件可用性进行测试。”

于是，他们制备了多根光纤，将其集成在同一片互补金属氧化物半导体探测器上。接下来，他们又完成了逐根固定的工艺流程和光谱矫正的工作。

之后，对于计算重构的算法、光源稳定性以及测试算法等过程，课题组又对其细节加以改进，最终让光谱仪的分辨率达到1.5pm左右。

日前，相关论文以《具有皮米级分辨率的微型漏模光谱仪》（Microtaperleaky-modespectrometerwithpi

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