近日，國際研究團隊開發出一款中紅外光譜儀，器件直徑比人類頭發絲還小。中紅外光譜儀廣泛應用于溫室氣體檢測，且可以使自動駕駛汽車更安全。因此，研究者近年來對開發緊湊型片上光譜儀非常感興趣。傳統光譜儀體積較大且價格昂貴，而片上光譜儀可極大地擴大該技術的應用范圍和易用性。

　　為實現該目標，來自美國、以色列和日本的研究人員共同開發出一款超緊湊型片上中紅外光譜儀。此項研究由耶魯大學工程與科學學院Barton L. Weller副教授和Fengnian Xia、以色列巴伊蘭大學（Bar-Ilan University）Doron Naveh教授以及日本國立材料科學研究所（National Institute for Materials Science）Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi進行合作。

　　光譜儀是跨學科科學研究和許多行業技術發展的基石儀器，從溫室氣體檢測到自動駕駛等領域均有潛在的應用價值，但傳統光譜儀（如光柵光譜儀和傅里葉變換光譜儀）大部分是由可移動的機械部件組成，體積龐大，成本較高，而解決這一問題最好的辦法便是：片上光譜儀。

　　BP在帶隙為0.3eV的條件下具有較高的載流子遷移和較高的光學吸收特性，這使得它成為中紅外光電導體的潛在候選材料之一。Fengnian Xia等人正是利用BP材料和先進算法的結合實現了緊湊型片上光譜儀的制備，該光譜儀借助BP的材料特性可以通過調整光與物質的相互作用，實現對不同光譜成分的捕獲，從而在2~9 μm范圍內實現可調光電探測的功能。此外，該光譜儀的尺寸僅為9×16 μm2，其大小與測量的目標光波長相當，雖然可以通過優化將設備做的更小，但由于衍射的限制，設備的縮小并不會進一步提高其空間分辨率。

　　與傳統光譜儀不同的是，該設備不依賴于諸如干涉儀或可調諧紅外激光器之類的先進光學組件，為光譜儀的極端小型化開辟了可能性。研究人員還表示，目前大部分的汽車、無人機和衛星設備通常都配有紅外攝像頭以拍攝灰度熱圖像來檢測行人、車輛和其他危險信息，此次設計的光譜儀由于連續測量的性能可以對此類潛在危險信息具有更高的檢測能力，甚至可以將其應用于遙感系統當中。

　　這款光譜儀采用了Fengnian Xia實驗室長期研究的一種材料—黑磷（BP），從而使該基于單個可調諧光電探測器在2至9微米波長范圍內運行。黑磷厚度約為10納米，允許用戶調整光與物質的相互作用，從而捕獲不同的光譜成分，這也是該器件成功的關鍵。此外，先進的算法對于該光譜儀也非常重要，可將光譜學中部分固有復雜性由硬件轉移到軟件。

　　這款光譜儀尺寸為9×16平方微米，遠小于人類發絲橫截面，且其尺寸與所測量的光波長相當。即使光譜儀尺寸變得更小，由于衍射現象，其性能也不會有太大改進，因為通常情況下，光線無法集中于比其波長小太多的焦點。

　　巴伊蘭大學的Doron Naveh教授表示：“非常高興可以開發出這款緊湊且高性能的光譜儀。我們希望可將此項工作中硬件和軟件的發展原則，從而推動其在醫學、農業和食品質量控制領域的商業應用。”

　　傳統光譜儀會將光按構成光譜的顏色分離。Fengnian Xia實驗室博士生以及該研究的主要作者Shaofan Yuan表示：“新款光譜儀比傳統的光分離光譜儀更具優勢，因此光無需在空間上分離為不同部分。”

　　與傳統光譜儀不同，該光譜儀不依賴諸如干涉儀或可調諧紅外激光器等先進光學組件，因此有可能會使光譜儀的尺寸達到最小，并可實現片上、經濟型的中紅外光譜和可見光光譜成像。研究人員指出，汽車、無人機和衛星通常會配備紅外攝像頭，可以拍攝灰度熱像圖來檢測行人、車輛和其他危險。Fengnian Xia實驗室的新款光譜儀在此類潛在威脅檢測方面能力較高，因此盡管分辨率不夠高，也可連續測量光譜信息。此外，新款光譜儀還可用于遙感。