光譜測(cè)量是科學(xué)和工業(yè)研究中非常強(qiáng)大且廣泛使用的表征工具之一。傳統(tǒng)的
光譜儀通常需要使用機(jī)械可移動(dòng)的部件，如光柵或邁克爾遜干涉實(shí)現(xiàn)分光，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)超高的光譜分辨率和極寬的光譜范圍，但是其笨重的尺寸和重量阻礙了將它們集成到實(shí)驗(yàn)室光學(xué)系統(tǒng)、汽車(chē)
電子系統(tǒng)、工業(yè)檢測(cè)設(shè)備，甚至是智能手機(jī)的可能。
微型光譜儀是光譜測(cè)量系統(tǒng)中的核心部件，由于體積小、便于靈活地搭建光譜系統(tǒng)，在科研領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣。微型光譜儀有著具體模塊化和高速采集的特點(diǎn)，在系統(tǒng)集成和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。并且結(jié)合光源、光纖、測(cè)量附件，可以搭配成各種光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
近日，Nature 子刊《Nature Communications》(IF=16.6)以“Single-pixel p-graded-n junction spectrometers”為題發(fā)表了上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳佰樂(lè)、虞晶怡團(tuán)隊(duì)最新研究成果：提出了一種基于AlGaAs/GaAs漸變帶隙pn結(jié)探測(cè)器(p-graded-n junction photodetector，簡(jiǎn)稱(chēng)pGn PD)的單像素智能微型光譜儀，并為光譜儀定制化設(shè)計(jì)了神經(jīng)光譜場(chǎng)(Neural Spectral Fields, NSF)光譜重建方法，實(shí)現(xiàn)了高光學(xué)靈敏度、高光譜準(zhǔn)確度和高光譜分辨率的單像素智能微型光譜儀。
III-V族半導(dǎo)體材料在過(guò)去的幾十年的發(fā)展中已經(jīng)成熟，并且在高性能光電探測(cè)器中得到了大量的應(yīng)用。然而常規(guī)的光電探測(cè)器通常只能檢測(cè)入射光強(qiáng)度，而無(wú)法判斷入射光的光譜信息。為得到光譜信息，需外置光柵或者多個(gè)光學(xué)濾波片結(jié)合單像素探測(cè)器進(jìn)行多次測(cè)量。
上?？萍即髮W(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次提出并制備了一種基于材料的p-graded-n單像素光電探測(cè)器完成了對(duì)入射光的光譜檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了光譜儀的功能。該pGn結(jié)型光譜儀通過(guò)改變pn結(jié)的工作偏壓實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器響應(yīng)截止波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)可調(diào)。此微型光譜儀通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的III-V族半導(dǎo)體工藝制造，具有極小的面積，達(dá)到微米級(jí)別，因此具備大規(guī)模生產(chǎn)和集成的巨大潛力，并且與焦平面陣列(FPA)制備工藝兼容，未來(lái)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高光譜成像。
在測(cè)量未知光譜時(shí)，隨著偏壓的增加，漸變帶隙PN結(jié)產(chǎn)生新的耗盡區(qū)，光譜儀表現(xiàn)出更長(zhǎng)的截止波長(zhǎng)。因此，漸變帶隙PN結(jié)光譜儀具有獨(dú)特的'電壓積累'響應(yīng)矩陣：更高的電壓具有更寬的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)。然而，這些曲線(xiàn)的重疊使得光譜重建問(wèn)題變得復(fù)雜?；贚1或L2正則化的傳統(tǒng)方法需要精細(xì)的參數(shù)調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)高分辨率的重建。
研究團(tuán)隊(duì)提出一種全新的全自動(dòng)化人工智能光譜重建方法，從測(cè)量的電流電壓曲線(xiàn)中提取深度特征，然后通過(guò)神經(jīng)場(chǎng)(Neural Fields, NFs)重建連續(xù)光譜。通過(guò)進(jìn)一步的細(xì)化過(guò)程，重建的光譜函數(shù)能夠符合基于物理的光譜響應(yīng)積分約束，以實(shí)現(xiàn)更高的光譜精度。該方法只需在仿真數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，避免了傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法需要大量訓(xùn)練用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。通過(guò)提出的神經(jīng)光譜場(chǎng)重建方法，漸變帶隙PN結(jié)光譜儀實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.30nm的光譜重建精度和高達(dá)10nm的光譜分辨率，并且光譜范圍廣泛，涵蓋從480nm到820nm的范圍。
這一研究成果為光譜儀的小型化、智能化提供了新的思路和方法，有望推動(dòng)光譜技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)，該光譜儀的制造工藝與焦平面陣列(FPA)制備工藝兼容，為未來(lái)的高光譜成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。該智能微型光譜儀有望在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供更多可能性。
(資料來(lái)源：上海科技大學(xué))
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