带有平面光学器件的紧凑型高分辨率光谱仪
发布时间：2023-05-09 08:00:00 阅读数： 66
光谱仪是一种用于测量光在光谱的特定部分的属性的仪器。这些设备已经发现了广泛的实际应用。色散光学元件（例如，衍射光栅或棱镜）是传统光谱仪的关键部件，用于实现所需的色散。
色散源于材料的折射率随入射光束的波长而变化。这种自由空间光学元件与自由空间传播体积的结合导致了笨重的光谱仪，这与片上集成技术不兼容。为了满足系统集成的要求，迫切需要一种紧凑、简单和高效的方法来实现高分辨率的光谱仪。
在一篇发表在《光： 科学与应用》上发表的一篇论文中，由英国赫瑞瓦特大学工程与物理科学学院光子学与量子科学研究所的陈贤忠教授领导的研究小组提出了一种新的色散控制方法。
他们开发了一种具有纳米级分辨率的超薄光谱仪，通过使用单一的元表面装置来控制色散，该装置是基于一种新型透镜模型设计的。这项技术的独特性在于新颖的透镜设计，可以同时实现波长分割和光聚焦。
光谱仪的紧凑性和超薄性使这项技术对片上集成光子学的潜在应用非常有吸引力，在这个平台上可以进行光谱分析和信息处理。
使用拟议的装置，入射光束的波长被精确地映射到焦平面上的不同位置。该装置由位于玻璃衬底上的具有空间变化方向的金纳米棒组成。在左圆偏振光的照射下，右圆偏振光（转换部分）会聚在所需的位置，即预先设计的环。该环被设计成包含多个焦点，每个焦点对应不同的入射波长。
拟议的元表面光谱仪的设计过程包括一个独特的设计技术，即带有波长信息的多焦点金属网。研究人员解释说：
"我们最初考虑的是能在费马原理所支配的理想位置上产生一个单一焦点的metalens的相位曲线。具有单一焦点的不同metalenses的单个相位轮廓可以整合成一个组合相位轮廓。然后，每个焦点的波长被认为是一个设计变量，并添加到多焦点金属镜的相位曲线中。采用由具有空间变化方向的金纳米棒组成的单层元表面来实现所需功能。"
"较大的元表面样本将实现准确的线宽检测和连续光谱识别。他们补充说："样品尺寸的增加将增加与波长有关的焦点的数量，这将有助于提高元表面光谱仪的分辨率和工作带宽。
"所提出的方法非常灵活和稳健，为控制单色和多色入射光束照耀下的理想色散提供了一个新的方案。设计的灵活性和超薄性使超紧凑的光谱仪对与传感器技术的单片集成非常有吸引力。科学家们说："这项技术可以有效地用于光谱分析、信息安全和信息处理等领域的许多令人兴奋的应用。
参考资料：Ruoxing Wang et al, Compact multi-foci metalens spectrometer, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01148-9
