超小型光谱仪的功率是大仪器的1000倍

这个模拟显示了一个自上而下的视图，当从左边的波导输入时，红色和绿色的不同光模式是如何产生的

       光谱仪作为一种读取光线的技术，其起源可追溯至 17 世纪著名物理学家艾萨克・牛顿的时代。光谱仪的工作原理是把光波分解成不同颜色或光谱，从而提供被测量物体的组成信息。加州大学圣克鲁斯分校的研究人员正在探索设计制造超小型却功能强大的光谱仪的新方法，可用于从探测疾病到观察遥远星系中的恒星等各种用途。其低廉的生产成本使得该设备更易获得且能针对特定应用进行定制。由加州大学圣克鲁斯分校电子与计算机工程教授 Holger Schmidt 和天文学与天体物理学教授 Kevin Bundy 跨学科合作领导的研究小组在《APL Photonics》杂志上公布了他们的设备细节。研究人员展示了一种新型高性能光谱仪，能够测量波长分辨率为 0.05 纳米的光，这比人类头发的宽度还小 160 万倍，而同样的分辨率在比头发大 1000 倍的设备上才能实现。“这基本上和大型、标准、昂贵的光谱仪一样好，” 施密特说，他是该论文的资深作者，也是开发光探测芯片的长期专家。“这真的非常令人印象深刻，竞争非常激烈。”

       微型设备

       小型化光谱仪是当前活跃的研究领域，因为光谱仪在许多领域都有应用，但它们可能有三层楼高且价格昂贵。然而，小型化光谱仪的性能往往不如大型仪器，或者由于需要极其精确的纳米加工，制造起来极为困难且成本高昂。

       加州大学圣克鲁斯分校的研究人员发明了一种设备，能在没有如此昂贵制造成本的情况下实现高性能。他们的设备是一个微型、高功率的波导，安装在芯片上，可根据光线的颜色将其引导成特定模式。芯片的信息被输入到机器学习算法中，该算法读取由不同波长的光产生的模式，以便以极高的准确度和精度重建图像，这种方法被称为 “重建” 光谱法。

       这项技术能产生准确结果，因为机器学习算法不需要高度精确的输入来区分光模式，并且可以不断提升自身性能并优化硬件。

       正因如此，研究人员可以用相对简单和廉价的制造技术制造芯片，整个过程仅需几个小时，而非几周。该项目的轻质、紧凑芯片在加州大学洛杉矶分校设计，并在杨百翰大学与施密特的长期合作伙伴 Aaron Hawkins 教授及其本科生合作制造和优化。霍金斯说：“与更复杂的芯片设计相比，这只需要一个光刻掩模，这使得制造更容易、更快。”“有一些基本能力的人可以复制它，并根据自己的需要制造出类似设备。”

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       研究人员设想这项技术可用于广泛的应用，尽管他们初步重点是为天文学研究创造强大的仪器。因为他们的设备相对便宜，天文学家可以将其专门用于特定的研究兴趣，这在花费数百万美元的大型仪器上几乎不可能实现。研究小组正在努力使芯片在加州大学操作的利克天文台望远镜上发挥作用，首先是接收来自恒星的光线，然后研究其他占星术事件。有了这些设备如此高的精度，天文学家就可以开始了解系外行星上大气的组成等现象，或者探测昏暗矮星系中暗物质的性质。这些设备相对较低的成本将使科学家更容易根据他们的特定研究兴趣对其进行优化，这在传统设备上几乎不可能做到。利用加州大学圣克鲁斯分校长期以来在天文学自适应光学系统方面的专业知识，研究人员正在合作研究如何最好地捕捉来自遥远恒星和星系的微弱微光，并将其输入微型光谱仪。

       “在天文学中，当你试图把一些东西放在望远镜上并让光线通过它时，你总是会发现新的挑战 —— 这比仅仅在实验室里做要困难得多。邦迪说：“这次合作的美妙之处在于，我们实际上有了一台望远镜，我们可以尝试将这些设备与良好的自适应光学系统一起部署在望远镜上。”

       健康及其他用途

       除了天文学，研究小组在这篇论文中表明，该工具能够进行荧光检测，这是一种非侵入性成像技术，用于许多医学应用，如癌症筛查和传染病检测。未来，他们计划开发拉曼散射分析技术。这是一种利用光散射来检测任何独特分子的技术，通常用作寻找特定化学物质的专门测试，例如人体内是否存在药物或环境中是否存在有毒污染物。由于该系统非常简单，不需要像其他技术那样使用重型仪器或流体，因此在现场使用时方便且坚固。

       研究人员还证明，紧凑的波导可以并排放置，以提高系统的性能，因为每个芯片可以测量不同的光谱，并提供更多关于它所观察的光的信息。在论文中，研究人员展示了四个波导一起工作的能力，但施密特设想可以同时使用数百个芯片。这是第一个能够以这种方式同时使用多个芯片的设备。研究人员将继续努力提高设备的灵敏度，以获得更高的光谱分辨率。