導(dǎo)讀
近日，浙江大學(xué)極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬耀光研究員團(tuán)隊(duì)在微型高性能光譜儀研究中取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了一種具有皮米量級分辨率的微納光纖錐光譜儀，利用微納光纖錐結(jié)構(gòu)的高階泄漏模式對輸入光譜編碼，并訓(xùn)練了基于Transformer架構(gòu)的MobileViT模型，快速、準(zhǔn)確的對輸入光譜進(jìn)行還原。經(jīng)測試，光譜儀可以工作在450~1100 nm的波段范圍內(nèi)，對輸入光的分辨率可達(dá)1 pm 數(shù)量級。該光譜儀以相對較低的制造難度與成本，在毫米級的空間尺度下實(shí)現(xiàn)了皮米級的波長分辨能力。相關(guān)研究成果于2023年5月8日，以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”為題發(fā)表在《eLight》上。
圖1 微納光纖泄漏模干涉光譜儀的示意圖
研究背景
自牛頓利用棱鏡觀察到色散現(xiàn)象以來，針對光譜技術(shù)的研究就在人類發(fā)展歷程中占據(jù)了重要地位。隨著光譜分辨率的提高與光譜理論的完善，光譜技術(shù)逐步從科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域擴(kuò)展到了分析應(yīng)用上，在生物傳感、環(huán)境監(jiān)測、天文、醫(yī)療等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。但是傳統(tǒng)光譜儀體積龐大、價(jià)格昂貴，因而在實(shí)際應(yīng)用中較難推廣。對光譜的測量往往需要使用非常專業(yè)的設(shè)備或者在專業(yè)的檢測機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行。
近年來，隨著微納技術(shù)的發(fā)展，微型光譜儀憑借其體積小、重量輕、操作便捷、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，逐漸被人們所重視。但是，針對光譜儀的低成本、小體積、高性能等要求存在內(nèi)在的制約關(guān)系：減小分光和探測元器件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀的分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)檢測范圍顯著下降，同時(shí)有可能增加器件的制造難度與成本。如何利用計(jì)算光譜技術(shù)進(jìn)行光譜編碼與解碼是打破這一內(nèi)在限制的重要前提。
研究亮點(diǎn)
微納光纖（MNFs）是研究納米尺度光與物質(zhì)相互作用的優(yōu)秀平臺之一。利用其簡潔的幾何形貌、強(qiáng)光場約束等優(yōu)點(diǎn)，研究人員利用自制的光纖拉錐機(jī)精確控制光纖錐尺寸，對其內(nèi)部的傳導(dǎo)模式產(chǎn)生有效調(diào)控，如圖2(a)所示。
a）基于微光纖錐的光譜編碼結(jié)構(gòu)
非絕熱近似下的陡變光纖錐可將輸入的少量低階模式快速轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅扛唠A模式。產(chǎn)生的高階模式的數(shù)量和權(quán)重均為輸入光場頻率的函數(shù)。因而，隨著高階模式被光纖錐的漸變直徑逐步截止，光譜信息就會被編碼進(jìn)泄漏光場形成的散斑圖案之中。多模光纖拉制的光纖錐內(nèi)支持的傳導(dǎo)模式較多，再加上錐區(qū)模式耦合帶來的自由度，散斑結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，波長的微小改變也會使得散斑有非常明顯的變化，從而可以在較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨的光譜識別如圖2(b),(c)所示。
圖2光譜儀結(jié)構(gòu)。(a)微型光譜儀圖片微納光纖錐區(qū)泄漏模圖案映射在襯底上的(b)側(cè)視圖和(c)俯視圖
1. 光纖纖芯直徑、光纖錐度、錐區(qū)長度、拉伸長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對光線錐泄漏散斑具有重要的影響。輸入光在芯徑更大的光纖中，可以激發(fā)更多的模式，因此在后續(xù)的模式演化過程中可以產(chǎn)生更復(fù)雜的散斑，包含更多的光譜特征。圖3的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
圖3 不同纖芯直徑拉制得到的光纖錐的散斑仿真。纖芯直徑分別為(a)8.2 μm (b)62.5 μm (c)105 μm
2. 在微納光纖束腰直徑一致的情形下，錐區(qū)長度越短，錐區(qū)角度越大。如圖4所示，隨著錐區(qū)變短，散斑尺寸縮小。由Nyquist采樣定理可知，對于一定大小的探測器單元尺寸，系統(tǒng)可以采集的散斑精細(xì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會隨散斑的縮小而變低，因而制約光譜儀的分辨精度。例如當(dāng)錐長為750 μm 時(shí)，散斑尺寸僅為~2 μm 。
圖4 不同錐區(qū)長度的光纖錐散斑仿真。錐區(qū)長度分別為(a)6000 μm (b)3000 μm (c)1500 μm (d)750 μm
3. 通過優(yōu)化拉制光纖的纖芯直徑，拉制過程中的拉伸長度與錐區(qū)長度等參數(shù)，研究人員在300*600 μm 的小尺寸內(nèi)，得到信息足夠豐富的散斑。散斑圖樣由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）傳感器（CIS）直接獲取，如圖2a所示。利用自制的微納光纖拉錐平臺和轉(zhuǎn)移平臺，研究團(tuán)隊(duì)可以高效率、高精度地制備所需要的微納光纖，并且將其與CIS探測器進(jìn)行一體化集成。使得最終的樣品在保證高集成度的同時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性。并且，制備的光譜儀核心元件的成本不到15美元。
b）基于深度學(xué)習(xí)的高精確度光譜復(fù)原
研究人員發(fā)現(xiàn)重構(gòu)型光譜儀的算法選擇對重構(gòu)結(jié)果也有較大影響，為了可以實(shí)現(xiàn)快速、低功耗的光譜重構(gòu)，我們采用基于Transformer架構(gòu)的MobileViT模型進(jìn)行了訓(xùn)練，用于最終的圖像分類與光譜重構(gòu)。最終，光譜儀準(zhǔn)確地恢復(fù)了450-1100 nm光譜范圍內(nèi)的被測光譜信息，平均峰值信噪比(PSNR)為46.7 dB。圖5(a)展示了重建的窄帶光(彩色實(shí)線)和商用光柵光譜儀的地真光譜(黑色虛線，Ocean Optics, LEDPRO-50)數(shù)據(jù)之間很高的一致性。單色光的中心波長誤差約為0.0223%。線寬誤差約為7.37%。并且，光譜儀在圖5(b),(c)所示的性能極限測試中也展示出很好的表現(xiàn)：在工作帶寬的測試中，可以準(zhǔn)確恢復(fù)半高全寬為90 nm的光譜。在對于分辨極限的測試中，可以準(zhǔn)確還原間隔1.53 pm的雙峰信號。
圖5光譜儀性能表征。(a)450-1100 nm波長范圍內(nèi)光譜恢復(fù)(b)連續(xù)光譜的恢復(fù)(c)窄雙峰的恢復(fù)
c）高精度的高光譜探測能力
因?yàn)槲⒓{光纖尺寸小、光束縛能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以在一個(gè)傳感器上集成多個(gè)微納光纖錐，實(shí)現(xiàn)高光譜成像功能。圖6(a)展示了在CIS上集成20個(gè)光纖錐的樣品。結(jié)合機(jī)械掃描的采樣方式，可以對例如圖6(b)中的圖像，進(jìn)行高光譜采集。如圖6(c),(d)所示，采得的光譜信息具有很好的準(zhǔn)確度和色彩還原度。
圖6 光譜儀高光譜表征。(a)20通道高光譜成像儀(b)彩色貼片圖及高光譜復(fù)原結(jié)果(c)b中各個(gè)色塊的光譜還原圖(d)b中不同色塊的CIE 1931色彩空間坐標(biāo)
總結(jié)與展望
該團(tuán)隊(duì)利用輕量級Transformer架構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對微納光纖錐區(qū)泄漏模的干涉散斑進(jìn)行優(yōu)化與采集，簡潔地實(shí)現(xiàn)了基于微納光纖錐的光譜信息編解碼架構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建出一種尺寸在亞毫米量級，分辨率在皮米量級的低成本、高性能微型光纖錐光譜儀。此外利用自制的微納光纖拉錐平臺和轉(zhuǎn)移平臺，研究團(tuán)隊(duì)可以高效率、高精度地制備所需要的微納光纖，并且將其與CIS探測器進(jìn)行一體化集成。通過在CIS上集成多個(gè)微納光纖錐，在保證高集成度和穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高光譜成像的功能。并且，制備的光譜儀核心元件的成本不到15美元。
目前，光譜儀的工作范圍受限于CMOS的響應(yīng)范圍200-1100 nm與可用的訓(xùn)練輸入光譜范圍450~1200 nm的交集。未來，可以將相同的原理拓展到不同的材料體系之中，將工作范圍進(jìn)一步擴(kuò)展到紫外或中長波紅外頻段。另外，如果在標(biāo)定過程中進(jìn)一步考慮偏振態(tài)的影響，研究人員將能同時(shí)獲得未知光的光譜和偏振態(tài)。論文所提出的光譜儀可應(yīng)用于食品檢驗(yàn)、藥物鑒定、個(gè)性化健康診斷等領(lǐng)域，且成本低廉。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目和浙江省自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目的資助。研究成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”為題發(fā)表在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight上。論文第一作者為浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院碩士生岑青青和博士生片思杰。通訊作者為浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院、極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、杭州國際科創(chuàng)中心、浙江大學(xué)嘉興研究院智能光電創(chuàng)新中心馬耀光研究員，碩士生劉鑫航、唐雨薇、何欣瑩也為論文工作做出了重要貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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
團(tuán)隊(duì)介紹
馬耀光現(xiàn)任浙江大學(xué)光電學(xué)院、極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、博士生導(dǎo)師，國家海外高層次引進(jìn)人才青年項(xiàng)目入選者。主持國家自然科學(xué)基金優(yōu)青、浙江省杰青、科技部重大項(xiàng)目子課題等多個(gè)項(xiàng)目。帶領(lǐng)的納米光學(xué)團(tuán)隊(duì)(NanoOptics @ ZJU) 長期致力于研究介觀尺度上光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理與相關(guān)效應(yīng)。目前的研究興趣包括超表面器件、計(jì)算成像與計(jì)算光譜、精密檢測與智能傳感等方向。團(tuán)隊(duì)研究領(lǐng)域涉及多學(xué)科交叉，涵蓋科學(xué)探索、工程應(yīng)用等多個(gè)方面。在Science, eLight, Advances in Optics and Photonics, ACS Nano 等期刊上發(fā)表40余篇高影響力學(xué)術(shù)論文，多篇為ESI高被引論文，單篇最高引用超過1000次。曾獲2021 年光學(xué)領(lǐng)域十大社會影響力成果、2021 中國光學(xué)十大進(jìn)展、科技部2021年度中國科學(xué)十大進(jìn)展候選進(jìn)展等獎(jiǎng)項(xiàng)。
課題組現(xiàn)有博士后等職位，熱烈歡迎不同背景（光學(xué)工程，電子信息，機(jī)械，材料等）的優(yōu)秀同學(xué)加入研究團(tuán)隊(duì)！歡迎感興趣的同學(xué)郵件聯(lián)系馬老師，并標(biāo)題注明 “NanoOptics @ ZJU 研究組職位申請”。詳情可見主頁：https://person.zju.edu.cn/myg
